[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文提出一种采用0.18µm CMOS工艺的高效率PWM降压转换器，专为手机应用设计，采用电流模式控制和电压-脉冲转换器以实现低调节。在300 mA电流下，其峰值负载调节为20 mV/V，线路调节为0.5 mV/V，通过软开关技术显著降低开关损耗，并采用与传统电压模式控制相似的实用模拟/数字控制器设计。

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.

研究动机与目标

• 设计一种面向手机电源管理的高效率DC/DC降压转换器。
• 通过软开关技术在PWM控制的降压拓扑中降低开关损耗。
• 提出一种系统化的设计方法，用于选择转换器的控制参数。
• 实现一种结构与传统电压模式控制相似的实用模拟与数字控制器。
• 在典型手机负载条件下实现高线路与负载调节性能。

提出的方法

• 转换器采用电流模式控制，结合电压-脉冲转换器生成PWM信号。
• 建立转换器的稳态与平均值模型，并进行仿真分析。
• 通过软开关技术实现，以最小化功率级的开关损耗。
• 设计了适用于实际应用的模拟与数字两种形式的控制器。
• 采用0.18µm CMOS工艺进行制造，外部元件包括10µH电感和22µF电容。
• 控制器使用1.23V时钟以及参考电压/电压斜坡输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 在面向手机应用的PWM降压转换器中，如何有效降低开关损耗？
• RQ2 何种设计方法可确保控制参数的系统化选择以实现最优性能？
• RQ3 是否可将具有传统电压模式结构的控制器适配于高效率降压转换器的电流模式控制中？
• RQ4 在300 mA负载条件下，基于CMOS工艺的降压转换器可实现何种水平的线路与负载调节？
• RQ5 软开关技术的集成对手机电源管理中的效率与性能有何影响？

主要发现

• 所制造的转换器在300 mA负载电流下实现了20 mV/V的峰值负载调节。
• 在相同负载条件下，线路调节达到0.5 mV/V，表明具有高稳定性。
• 通过实施软开关技术，显著降低了开关损耗。
• 控制器设计保持与传统电压模式控制相似的结构，支持实用的模拟与数字实现。
• 转换器使用1.23V时钟和Vref/Vramp输入，确保与标准手机电源系统的兼容性。
• 采用10µH电感和22µF电容，支持在典型手机负载特性下的稳定运行。