Multiphase switch-mode BCM controllers - design challenges in CMOS implementation

As population and demand for energy grow, global fossil fuel reserves decline at an alarming rate.The industry has responded with increasingly aggressive and environmentally destructive extraction techniques to supply the global energy demand.For example, oil extraction from the open tar sands pits in Canada is creating a massive environmental dead-zone which will be large enough to be seen from the moon.But declining reserves and environmental damage are only part of the problem; energy-related trade deficits burden entire countries with loans to central banks that can never be repaid, and interest payments that compound the debt.Fortunately engineering is responding to the problem, and significant progress is being made.Local distributed energy production from renewable resources is reducing some of the burden in meeting the growing demand for energy, and large untapped reserves exist.But the silent revolution occurring is improved device and system efficiency.For instance, LED lights produce the same luminous flux at 8W that a 60W incandescent bulb once produced.Distributed among millions of homes, such energy-saving devices are having a far larger impact than could be seen from new energy production.Advances in power systems are equally impressive.Today, a state-of-the-art commercial 50kW power converter operating at hundreds of amps will have a conversion efficiency exceeding 99%.But improvements in consumer goods have a potentially larger energy-saving impact.New consumer products should have high operational efficiencies and large converter dynamic range to reduce the vampire load in standby mode.Switchmode efficiency is optimized by minimizing the combined switching, ohmic, and core losses.Multiphase systems help distribute the load, reducing losses and filter requirements, and improving the power factor.In this thesis some of the improvements that have been developed and new trends in published research are reviewed.The discussion is organized as follows:• Chapter 1: The relative advantages and disadvantages of switch-mode operating modes are discussed.A comparison of the ohmic, switching, and magnetic core losses is made between continuous conduction (CCM) and boundary conduction (BCM) operating modes.• Chapter 2: A survey of multiphase (master-slave) BCM controllers is made.Open-loop controllers in both current-and voltage-mode are compared for stability and relative advantages/disadvantages.A promising alternative to open-loop control is the closed-loop controller.It has a wider range of stable voltage-mode operation, provided technical issues are resolved in the design.A developing trend in multiphase converters is the coupled-inductor design; the windings of two or more phases are wound on the same magnetic core.Energy is coupled directly from the magnetizing phase to the demagnetizing phase via the mutual coupling, thus reducing the energy stored in the core.Such coupling can improve efficiency by reducing the core and ohmic losses.Kurzfassung Aufgrund des Wachstums der Weltbevölkerung und des daraus resultierenden immer höher werdenden Energiebedarfs, steigt der globale fossile Brennstoffverbrauch bei endlichen Reserven alarmierend an.Daher versucht die Industrie, diesem mit immer aggressiveren und immer umweltbelastender werdenden Fördermethoden entgegenzuwirken.Als Beispiel kann hier die Ölgewinnung aus Ölsand im Tagbau in Kanada genannt werden, welche eine massive ökologische Todeszone zur Folge hat, die sogar bald vom Mond aus zu sehen sein wird.Die immer geringer werdenden fossilen Brennstoffreserven, als auch die Umweltverschmutzung sind nur ein Teil des Problems.Aufgrund eines energiebedingten Handelsbilanzdefizits sind ganze Staaten dazu gezwungen, Kredite bei den jeweiligen Zentralnotenbanken aufzunehmen, welche aber nie zurückgezahlt werden können und darüber hinaus zusätzliche Belastungen aufgrund von Zinszahlungen bewirken.Glücklicherweise nehmen sich die Ingenieurwissenschaften dieses Problems an, wobei signifikante Fortschritte gemacht werden.Lokale Energiegewinnung aus erneuerbaren Ressourcen vermindert einige Probleme, die durch den steigenden Energiebedarf versursacht werden, und in diesem Bereich sind noch einige Reserven vorhanden, die noch nicht genutzt werden.Die stille Revolution erfolgt auch aufgrund von optimierten Geräten und verbesserter Systemeffizienz.Als Beispiel können hier LED-Lampen angeführt werden, die bei einem Leistungsverbrauch von 8W die gleiche Beleuchtungsstärke wie eine alte 60W Glühbirne liefern.Bei einer flächendeckenden Verwendung durch Millionen von Verbrauchern haben solche energiesparenden Mittel eine viel größere Wirkung als die Erzeugung neuer Energien.Der Fortschritt im Bereich der Stromversorgung ist beindruckend.Nach dem heutigen Stand der Technik hat ein industrieller 50kW Stromrichter, welcher bei Stromstärken von mehreren Hundert Ampere arbeitet, einen Wirkungsgrad, der sogar 99% überschreiten kann.Aber Verbesserungen und Optimierungen in elektrischen Konsumgütern haben einen potentiell noch größeren Energiespareffekt.Neuere Konsumgüter sollten dabei eine hohe Effizienz aufweisen und eingebaute Konverter sollten einen hohen Dynamikbereich besitzen, um den parasitären Verbrauch im Stand-by Modus zu verringern.Der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen kann mittels einer kombinierten Minimierung von Schaltverlusten, ohmschen Verlusten und Transformatorverlusten optimiert werden.Multiphasensysteme helfen die Last zu verteilen, die Verluste und Filteranforderungen zu reduzieren und den Leistungsfaktor zu verbessern.In dieser Masterarbeit werden einige Verbesserungen, die entwickelt wurden und die neue Trends in der Forschung darstellen, behandelt.Die Arbeit ist, wie folgt, aufgebaut: • Kapitel 1: Die jeweiligen Vor-und Nachteile von verschiedenen Ansätzen in der Arbeitsweise von Schaltnetzteilen werden behandelt.Es wird ein Vergleich der ohmschen Verluste, der Schaltverluste und der Transformatorkernverluste bei einem Continuous-Conduction-Mode Wandler (CCM, Betrieb mit kontinuierlichem Strom) und einem Boundary-Conduction-Mode Wandler (BCM) angestellt.• Kapitel 2: Ein Überblick über Multiphasen (Master-Slave) BCM Regelungen wird gegeben.Dabei werden verschiedene Steuerschaltungen ohne Regelkreis (sowohl Strom-, als auch als Spannungsregler) betrachtet und deren Stabilität, Vor-und Nachteile verglichen.Eine vielversprechende Alternative zur offenen Regelung sind Steuerschaltungen in einer geschlossenen Regelschleife.Diese haben einen weiten stabilen Bereich im Spannungsbetrieb, unter der Voraussetzung, dass einige technische Probleme gelöst werden.Ein Entwicklungstrend im Bereich der Multiphasenkonverter ist ein Design mit gekoppelten Spulen; die Windungen von zwei oder mehr Phasen sind auf demselben magnetischen Kern aufgewickelt.Die Energie wird direkt von der Magnetisierungsphase zur Entmagnetisierungsphase über gegenseitige Kopplung übertragen, wobei die Energie, welche im Kern gespeichert ist, vermindert wird.Solch eine Kopplung kann die Effizienz durch Reduzierung der Kernverluste und der ohmschen Verluste verbessern.• Kapitel 3: Der Trend in der Industrie geht in Richtung billiger und kompakt integrierter Lösungen; eine Untersuchung der praktischen Aspekte von integrierten Schaltwandlersteuerungen in Silizium wurde gemacht.Obwohl das zugrundeliegende Schaltungskonzept unkompliziert wirkt, treten viele Probleme auf, da man Details wie Temperatureffekte, CMOS Prozessvariationen und Bauteildiskrepanzen mitberücksichtigen muss.Die Erzeugung einer Zeitbasis für die Schaltvorgänge basiert auf einem Referenzstrom.Daher werden unterschiedliche Rückkoppeltechniken, die die Stromquelle gegen Temperatur-und Prozessvariationen stabilisieren sollen, untersucht.Eine typische Stromquelle hat eine prozessverursachte Stromvariation, ausgehend vom nominalen Wert, von 50%, wobei einfache Stromspiegel für den Nano-Amperebereich noch 30% Fehler hinzufügen.Die Fehler werden mit Hilfe von einem Zweirampenansatz (positive und negative Steigung) mit korrelierter Doppelabtastung behoben, wobei als Resultat nur mehr 2% Fehler in der resultierenden Zeitgebung auftreten.Weitere Komponenten der Zeitgeberschaltung, wo prozessbezogene Probleme entstehen können, sind Komparatoren.Ein Komparator mit Eingangshysterese und mit einem Ausgangsspannungshub, der den kompletten Versorgungsspannungsbereich abdeckt (rail-to-rail), kann aufgrund des Auftretens von extremen Prozessungleichheiten falsch schalten, wobei kleine Verstärkungen und niedrige v AcknowledgementTo the thousands of scientists and engineers who dedicated their lives to expanding our knowledge of the physical universe, for creating the discipline that we call engineering, and the field we know as electronics: may we honor your trust with its safekeeping.This work was

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