[論文レビュー] Designing a High Efficiency Pulse Width Modulation Step-Down DC/DC Converter for Mobile Phone Applications

Abdessamad Benlafkih, Krit Salah-ddine+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Advanced DC-DC Converters参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、0.18µm CMOS技術を用いてモバイル端末用に設計された高効率PWMバッキングコンバータを提示する。電流モード制御と電圧-パルス変換器を採用し、低安定化を実現している。300 mAの負荷でピーク負荷安定化が20 mV/V、ライン安定化が0.5 mV/Vに達しており、ソフトスイッチングによりスイッチング損失を低減するとともに、従来の電圧モード制御に類似した実用的なアナログ/デジタル制御器設計を実現している。

ABSTRACT

This paper presents the design and analysis of a high efficiency, PWM (Pulse-Width-Modulation) Buck converters for mobile phone applications. The steady-state and average-value models for the proposed converter are developed and simulated. A practical design approach which aims at systematizing the procedure for the selection of the control parameters is introduced. The switching losses are reduced by using soft switching, additionally, a simple analog and digital form of the controller for practical realization is provided. It is found that this controller adopts a structure similar to the conventional PWM voltage mode controller. The proposed circuit uses a current-mode control and a voltage-to-pulse converter for the PWM. The circuit, fabricated using a 0.18-μm CMOS technology, reaches a peak load regulation of 20 mV/V and line regulation of 0.5 mV/V at Current load equal 300 mA. The used 10μH inductance and 22μF capacitor and requires clock and Vref/Vramp input of 1,23V.

研究の動機と目的

• モバイル端末用電源管理に特化した高効率DC/DCバッキングコンバータの設計を目的とする。
• PWM制御バッキングトポロジにおいて、ソフトスイッチング技術を用いてスイッチング損失を低減することを目的とする。
• 最適な性能を達成するための制御パラメータの体系的選定手法の開発を目的とする。
• 従来の電圧モード制御に類似した構造を持つ実用的なアナログおよびデジタル制御器の実装を目的とする。
• 一般的なモバイル端末負荷条件下での高いラインおよび負荷安定化性能を達成することを目的とする。

提案手法

• コンバータは、PWM信号を生成するための電圧-パルス変換器を備えた電流モード制御を採用する。
• コンバータの定常状態および平均値モデルが構築され、解析のためにシミュレーションが実施された。
• スイッチング損失を最小限に抑えるためにソフトスイッチングが実装された。
• 実世界での実装を想定し、アナログおよびデジタル両形式の実用的制御器が設計された。
• 外部部品として10µHインダクタおよび22µFコンデンサを用い、0.18µm CMOS技術でプロトタイピングが実施された。
• 制御器は1.23Vクロックおよびリファレンス/電圧ラムプ入力を用いて動作する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モバイルアプリケーション向けPWMバッキングコンバータにおいて、スイッチング損失を効果的に低減する方法は何か？
• RQ2 最適な性能を達成するための制御パラメータの体系的選定を保証する設計手法は何か？
• RQ3 従来の電圧モード制御構造を持つ制御器を、高効率バッキングコンバータの電流モード制御に適応可能か？
• RQ4 300 mA負荷下におけるCMOSベースのバッキングコンバータで、ラインおよび負荷安定化はどの程度達成できるか？
• RQ5 ソフトスイッチングの統合は、モバイル端末用電源供給における効率および性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• プロトタイプコンバータは、300 mA負荷電流下でピーク負荷安定化が20 mV/Vに達した。
• 同じ負荷条件でライン安定化が0.5 mV/Vに達しており、高い安定性を示している。
• ソフトスイッチング技術の導入により、スイッチング損失が顕著に低減された。
• 制御器設計は従来の電圧モード制御に類似した構造を維持しており、実用的なアナログおよびデジタル実装を可能としている。
• 1.23VクロックおよびVref/Vramp入力を用いることで、標準的なモバイル電源システムと互換性がある。
• 10µHインダクタおよび22µFコンデンサの使用により、一般的なモバイル端末の負荷プロファイル下でも安定した動作が実現された。