Transcript Интегральный повышающий/понижающий

Интегральный
повышающий/понижающий
преобразователь мощности с
динамическим контролем
рабочей частоты
В.Ш. Меликян, В.А. Галстян, А.Л. Алексанян, А.С.
Арутюнян
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
Государственный инженерный университет Армении
Содержание
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Введение
Принцип работы преобразователя
Архитектура и особенности системы
преобразования
Динамический контроль рабочей частоты
Уменьшение помех выходного сигнала
Измерения параметров преобразователя
мощности
Сравнение параметров преобразователей
Заключение
Литература
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
2
Введение
•
Проблема
• уменьшение потребляемой мощности
портативных устройств.
•
Существующие решения
• динамическое масштабирование
напряжения.
– с помощью переключения между
несколькими источниками постоянного
напряжения.
– с использованием преобразователей
статического напряжения.
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
3
Принцип работы
преобразователя
Режимы Работы:
• Понижающий
• Повышающий
Эффективности
преобразования:
• Понижающий режим

Vout
3Vin
• Повышающий режим
Схема преобразователя

Vout
Vin
, если 2Vout  Vin  Vout

Vout
Vin
, если Vin  2Vout
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
4
АРХИТЕКТУРА И ОСОБЕННОСТИ
СИСТЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
5
Динамический контроль
рабочей частоты
Vbias
Vin1
Vin2
Vout
Принцип динамического
контроля рабочей частоты
Схема использованного
операционного усилителя
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
6
Уменьшение помех выходного
сигнала
Функция: превращение
шумного входного
сигнала в стабильный
выходной сигнал.
Серийный регулятор
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
7
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
80
70
60
50
40
30
20
10
Эффективность (%)
Эффективность (%)
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МОЩНОСТИ
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
Входное напряжение (В)
Зависимость эффективности
преобразования от уровня входного
напряжения для повышающего
режима
80
70
60
50
40
30
20
10
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,01,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Входное напряжение (В)
Зависимость эффективности
преобразования от уровня входного
напряжения для понижающего
режима
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
8
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
80
70
60
50
40
30
20
10
Эффективность (%)
Эффективность (%)
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МОЩНОСТИ
(2)
80
70
60
50
40
30
20
10
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120
Ток нагрузки (мА)
Ток нагрузки (мА)
Зависимость эффективности
преобразования от тока нагрузки для
понижающего режима
Зависимость эффективности
преобразования от тока нагрузки для
повышающего режима
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
9
Сравнение параметров
преобразователей
Преобразователь
Параметр
существующий
представленный
Входное напряжение
3,3 В
0,2…2 В
Выходное напряжение
1,25 В
0,6…2.4 В
Емкость
конденсаторов
накапливания заряда
300 пФ
50 пФ
Емкость нагрузки
50 пФ
30 пФ
Частота переключения
40 МГц
10…22 МГц
Выходная пульсация
45 мВ
~70 мВ
Эффективность
64%
72%
Технология
0,18 мкм КМОП
0,32нм КМОП
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
10
Заключение
•
Разработан интегральный преобразователь
мощности на переключающихся конденсаторах,
работающий в режимах повышения и
понижения входного напряжения.
•
Преобразователь обеспечивает максимальный
уровень эффективности преобразования в 72%.
•
Предусмотрен динамический контроль рабочей
частоты, обеспечивающий уменьшение потерь
переключения для широкого диапазона
применяемой нагрузки (1…5 кОм).
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
11
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Chandrakasan A., Sheng S., Brodersen R. Low-power cmos digital design // Solid-State
Circuits: IEEE Journal. 1992. V. 27. P. 473-484.
Yuan L., Qu G. Analysis of energy reduction on dynamic voltage scaling-enabled
systems // IEEE Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2005. V. 24.
P. 1827-1837.
Maity B., Mandal P. A high performance switched capacitor-based dc-dc buck converter
suitable for embedded power management applications // Very Large Scale Integration
(VLSI) Systems: IEEE Trans. 2011. P. 1-5.
Castro P., Silveira F., Eirea G. Modular Architecture For Ultra Low Power SwitchedCapacitor DC-DC Converters // IEEE 2012. P. 1036-1039.
Bhattacharyya K., Mandal P. A Low Voltage, Low Ripple, on Chip, Dual Switch-Capacitor
Based Hybrid DC-DC Converter // IEEE Transactions on Circuits and Systems. 2008. P.
661-666.
Joen H., Kim Y. A Novel 4-to-3 Step-Down On-Chip SC DC-DC Converter With Reduced
Bottom-Plate Loss// IEEE 2012. P.1060-1063.
Chung S.H., Hui S.Y. Development of a Multistage Current-Controlled SwitchedCapacitor Step-Down DC/DC Converter with Continuous Input Current // IEEE
Transactions on Circuits and Systems. 2000. V. 47. P. 1017-1025.
Huang C. A Low-Voltage CMOS Rail-To-Rail Operational Amplifier Using Double PChannel Differential Input Pairs // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2004. P. 673-676.
Zhang C., Ming-Cheng Lin, Syrzycki M. Process variation compensated voltage
controlled ring oscillator with ubtraction-based voltage controlled current source //
Electrical and Computer Engineering (CCECE). 2011. P. 731-734.
ЗАО “СИНОПСИС АРМЕНИЯ”
12