Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM

Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM

vi

TÓM TẮT

Mạch nguồn xung là một trong những thành phần rất quan trọng trong các thiết bị điện

tử cầm tay, vì thế hiệu suất, độ chính xác và giá thành là một vấn đề lớn Nội dung trong luận văn sẽ đề cập và giải quyết đến những vấn đề đã nêu ở trên

Luận văn này được phát triển dựa trên bài báo của chính tác giả đã được đăng trên tạp chí IEEE “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM/PFM Buck Converter with Bypass mode for Transceiver applications” [20] Nội dung trong luận văn trình bày về mạch nguồn xung DC/DC, mạch nguồn tuyến tính và đề xuất sơ đồ hoạt động cho mạch hạ áp DC/DC Buck trên công nghệ CMOS 65nm với tần số đóng mở 1Mhz, điện áp ngõ vào

từ 1.5v đến 3.8v, điện áp ngõ ra 1.5v, dòng tải tối đa 500mA

Mục tiêu chính của luận văn là đưa ra phương pháp để cải thiện hiệu suất của mạch nguồn và điều khiển nguồn xung DC/DC hoạt động ở chế độ PWM khi dòng tải lớn, chuyển qua chế độ PFM khi dòng tải nhỏ, và khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 1.9V thì sẽ đi vào chế độ Bypass để giảm nhiễu Đồng thời cũng đề xuất các thông số cho mạch nguồn Buck và so sánh kết quả của mô phỏng với thông số đặt ra ban đầu

vii

ABSTRACT

Switch Mode Power Supply is one of the ingredients is very important in the portable electronic device, so the efficiency, accuracy, and cost is a major issue The content of the thesis will mention and solve these problems

This thesis is developed based on the author's own article which was published on IEEE magazine “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM / PFM Buck Converter with Bypass mode for Transceiver applications” [20] The thesis presents the DC / DC Switch Mode Power Supply, Linear power supply and propose operation diagram for the low voltage Buck on 65nm CMOS technology with 1Mhz switching frequency, input voltage from 1.5 V to 3.8v, output voltage 1.5v, maximum load current 500mA

The main goal of the thesis present a method to improve the efficiency of the Buck circuit and control the DC / DC Buck operating in PWM mode when the load current is high, switching to the PFM mode when the load is low, and when input voltage less than 1.9V will go into Bypass mode to reduce noise This thesis also propose the important parameters for DC / DC Buck and compare the results of the simulation with the initial parameters

viii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi

CHƯƠNG 1 Tổng Quan 1

1.1 Tổng quan chung: 1

1.2 Kết quả nghiên cứu liên quan: 3

1.3 Mục đích của đề tài: 4

1.4 Tóm tắt đề tài: 5

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài: 5

1.4.2 Giới hạn của đề tài: 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu: 6

1.6 Kết cấu của luận văn: 6

CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về chuyển đổi DC/DC 7

2.1 Các phương pháp chuyển đổi DC/DC: 7

2.1.1 Nguồn tuyến tính: 7

2.1.2 Nguồn xung: 8

2.2 Nguồn xung vs nguồn tuyến tính: 9

2.3 Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck: 11

2.4 Các mạch dùng trong nguồn hạ áp DC/DC Buck: 13

2.4.1 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung: 13

2.4.2 Tầng công suất: 16

2.4.3 Cuộn dây: 16

2.4.4 Tụ điện: 17

2.5 Công suất thất thoát và hiệu suất: 17

2.6 Tính toán duty cycle cho mạch Buck: 18

2.7 Bù pha và tiêu chuẩn ổn định: 21

2.7.1 Bù kiểu I: 22

2.7.1.1Hàm truyền của bù kiểu I: 23

2.7.2 Bù kiểu II: 23

2.7.2.1Hàm truyền bù kiểu II: 24

2.7.3 Bù kiểu III: 24

ix

2.7.3.1Hàm truyền bù kiểu III: 25

CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch hạ áp DC/DC Buck 27

3.1 Cải tiến mạch: 28

3.2 Tính toán các thông số: 29

3.2.1 Tính toán giá trị tối thiểu khi chọn cuộn dây và tụ điện: 29

3.2.1.1Chọn cuộn dây: 29

3.2.1.2Chọn tụ điện: 31

3.3 Sơ đồ khối chi tiết mạch Buck: 33

3.3.1 Phân tích tín hiệu nhỏ của mạch: 37

3.3.2 Mạch tạo điện áp tham chiếu (bandgap): 39

3.3.3 Mạch phát hiện điện áp tại nguồn: 42

3.3.4 Mạch khởi động mềm và mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi: 48

3.3.5 Mạch so sánh: 49

3.3.6 Mạch cảm biến dòng điện trong cuộn dây: 50

3.3.7 Mạch phát hiện dòng điện khi dòng tải giảm xuống mức 0: 53

3.3.8 Mạch tạo dao động: 56

CHƯƠNG 4 Đánh giá hiệu năng mạch Buck 58

4.1 Chuyển đổi giữa các chế độ của mạch DC/DC Buck: 58

4.2 Mô phỏng theo PVT cho mạch DC/DC Buck: 58

4.3 Hiệu suất của mạch DC/DC Buck: 60

4.4 Tóm tắt các kết quả đạt được: 61

CHƯƠNG 5 Kết luận và hướng phát triển 65

5.1 Kết luận: 65

5.2 Hướng phát triển: 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU VIẾT TẮT

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung 1

Hình 1.2 Các mức điện áp và ứng dụng phổ biến 3

Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn tuyến tính 7

Hình 2.2 Nguồn tuyến tính 8

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch DC/DC [2] 9

Hình 2.4 Mạch nguồn xung 9

Hình 2.5 Mạch hạ áp Buck 12

Hình 2.6 Mạch Buck khi dùng transistor 12

Hình 2.7 Sơ đồ khối của bộ điều chế độ rông xung DC/DC Buck 13

Hình 2.8 Bộ điều chế độ rông xung 14

Hình 2.9 Dạng sóng duty cycle khi Vref ở mức cao 15

Hình 2.10 Dạng sóng duty cycle khi Vref ở mức thấp 15

Hình 2.11 Mạch Buck khi ở trạng thái mở [13] 18

Hình 2.12 Mạch Buck khi ở trạng thái đóng [13] 19

Hình 2.13 Mô tả dạng sóng của cuộn dây trong cả hai trạng thái đóng và mở 20

Hình 2.14 Bù kiểu I [1] 23

Hình 2.15 Biểu đồ Bode của bù kiểu I 23

Hình 2.16 Bù kiểu II [1] 23

Hình 2.17 Biểu đồ Bode của mạch bù kiểu II [1] 24

Hình 2.18 Mạch bù kiểu III [1] 25

Hình 3.1 Ba chế độ điều khiển PWM, PFM và Bypass 28

Hình 3.2 Dạng sóng của dòng điện cuộn dây khi hoạt động ở chế độ biên giữa liên tục và không liên tục 30

Hình 3.3 Gợn sóng điện áp của mạch Buck [1] 32

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch Buck với chế độ Bypass 34

Hình 3.5 Sơ đồ khối hoạt động của mạch Buck 35

Hình 3.6 Hiệu suất thay đổi ở hai chế độ PWM và PFM.[19] 36

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của mạch Buck 37

Hình 3.8 Mô phỏng phase margin của mạch Buck 38

Hình 3.9 Đáp ứng theo thời gian của mạch Buck khi dòng tải thay đổi 39

Hình 3.10 Sơ đồ mạch bandgap 40

Hình 3.11 Sự thay đổi của điện áp tham chiếu với nhiệt độ 41

Hình 3.12 Folded cascode opamp dùng trong mạch bandgap 42

Hình 3.13 (a) đặc tuyến nạp của pin lithium-ion (b) đặc tuyến xả của pin lithium-ion [22] 43

Hình 3.14 (a) Mạch RC (b) Mạch dựa vào điện áp ngưỡng của transistor 44

xii

Hình 3.15 Sự thay đổi của RSTB với điện áp VDD 44

Hình 3.16 Mạch phát hiện điện áp ngưỡng dùng kiến trúc bandgap 45

Hình 3.17 Mạch phát hiện điện áp ngưỡng dựa trên kiến trúc bandgap 46

Hình 3.18 Sơ đồ khối chi tiết của mạch phát hiện điện áp ngưỡng 47

Hình 3.19 Dạng sóng của mạch phát hiện điện áp ngưỡng 48

Hình 3.20 (a) Mạch khởi động mềm (b) Mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi 48

Hình 3.21 Dạng sóng mô tả thời gian khởi động mềm là 250us 49

Hình 3.22 Mạch so sánh 49

Hình 3.23 Mạch cảm biến dòng điện trong thời gian on-time 50

Hình 3.24 Mạch cảm biến dòng điện trong thời gian off-time 51

Hình 3.25 Opamp 2 tầng dùng trong cảm biến dòng điện 52

Hình 3.26 (a) Chế độ hoạt động CCM (b) Dạng sóng khi hoạt động ở CCM 54

Hình 3.27 (a) Chế độ hoạt động DCM (b) Dạng sóng khi hoạt động ở DCM 55

Hình 3.28 Mạch phát hiện dòng điện khi dòng tải giảm xuống mức 0 56

Hình 3.29 Mạch tạo dao động 57

Hình 3.30 Dạng sóng mạch tạo dao động 57

Chương 3 mô tả chi tiết cách thiết kế mạch và sơ đồ khối chi tiết về các chế độ hoạt động của mạch Buck trong luận văn Các khối mạch nhỏ cũng được phân tích chi tiết, đồng thời các tính toán để chọn cuộn dây và tụ điện 57

Hình 4.1 Thay đổi giữa các chế độ của nguồn xung DC/DC 58

Hình 4.2 Sự thay đổi của điện áp ngõ ra với corners khi mạch Buck hoạt động trong chế độ PWM 59

Hình 4.3 Sự thay đổi của điện áp ngõ ra với corners khi mạch Buck hoạt động trong chế độ PFM 59

Hình 4.4 Hiệu suất khi bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động ở chế độ PWM/PFM 60

Hình 4.5 Hiệu suất khi bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động ở chế độ Bypass 61

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính và nguồn xung 2

Bảng 1.2 So sánh các nghiên cứu trước đó trên IEEE 3

Bảng 3.1 Giá trị các thành phần trong mạch 41

Bảng 4.1 So sánh giữa thông số đề xuất và thông số thiết kế 61

Bảng 4.2 so sánh kết quả đạt được trong luận văn so với các nghiên cứu trên IEEE 62

Dùng các mạch nguồn DC/DC giúp tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau từ một nguồn chính để cung cấp cho từng mạch riêng trong thiết bị Phương pháp tạo ra nhiều mức điện áp từ pin có thể giúp giảm kích thước của thiết bị Hơn nữa điện áp DC cung cấp bởi pin hay bộ chỉnh lưu thường bị nhiễu rất cao và không thể cung cấp cho mạch ngay được, mạch nguồn DC/DC có thể làm giảm những gợn sóng và ảnh hưởng của dòng điện tải hay điện áp đầu vào lên điện áp ngõ ra [1]

Vấn đề cấp thiết đối với các hệ thống điện tử cầm tay hiện nay là việc kéo dài thời gian

sử dụng và giảm nhiễu do mạch nguồn gây ra Do đó cải thiện hiệu suất cho mạch nguồn DC/DC là vấn đề cấp thiết hiện nay, nó sẽ giúp chúng ta tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian sống của pin và điều khiển hệ thống hoạt động ổn định hơn

Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của nguồn tuyến tính và nguồn xung, có thể thấy là nguồn xung có thiết kế phức tạp hơn nhiều so với nguồn tuyến tính, nhưng nguồn xung lại cho hiệu suất vượt trội hơn nhiều so với nguồn tuyến tính

Hình 1.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung

2

Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính và nguồn xung

Từ bảng 1.1 ta có thể nhận ra nguồn xung cho hiệu suất cao, vì thế trong luận văn tôi tập trung vào thiết kế và đề xuất phương pháp để cải thiện hiệu suất cho nguồn xung

Có rất nhiều công nghệ để chế tạo nguồn xung, tuỳ thuộc vào từng mức điện áp ngõ vào

mà ta có thể lựa chọn các công nghệ khác nhau để thiết kế Trong hình 1.2 mô tả chi tiết các mức điện áp cho Mosfet dùng trong các ứng dụng khác nhau, Ở trong luận văn này

do điện áp ngõ vào chỉ tối đa 3.8v, nên tôi sẽ lựa chọn công nghệ thiết kế là CMOS 65nm và dùng IO Mosfet để thiết kế Khi kích thước của Mosfet càng nhỏ (công nghệ 22nm, 16nm) thì điện áp mà Mosfet chịu được càng thấp do đó không phù hợp với yêu cầu điện áp từ pin (3.3V), hơn nữa khi xuống những node công nghệ càng thấp thì thiết

kế các mạch analog sẽ gặp khó khăn hơn rất nhiều (độ lợi của Mosfet nhỏ, lớp oxide mỏng …) và giá tiền khi chế tạo ở các công nghệ nhỏ hơn sẽ đắt hơn rất nhiều so với những công nghệ cũ hơn Do đó để cân bằng giữa giá thành và hiệu năng của mạch thì tôi lựa chọn công nghệ CMOS 65nm

3

Hình 1.2 Các mức điện áp và ứng dụng phổ biến

1.2 Kết quả nghiên cứu liên quan:

Bảng 1.2 So sánh các nghiên cứu trước đó trên IEEE

điều khiển Latch, logic Counter ,

2Pulse Conv., Latch, 1NOT, 2Buf

FOM (Figure of merit) = (Load current range) x [(Max eff + min eff.)/2]

Giá trị của FOM càng lớn thì thiết kế càng tốt

Ở Bảng 1.2 so sánh các nghiên cứu về mạch DC/DC hiệu suất cao đã được công bố trên IEEE, có nhiều phương pháp được dùng để cải thiện hiệu suất của mạch DC/DC như PWM, PFM, DPWM , trong luận văn này tôi trình bày thiết kế mạch hoạt động trong

Trong [16], [17] dùng chế độ điều khiển CCM/DCM vì thế cho hiệu suất thấp và phù hợp với các ứng dụng IOT do nó chỉ cung cấp dòng tải tối đa thấp

Thông qua mô phỏng khi dòng điện trung bình của cuộn dây giảm dưới 50mA thì mạch nguồn DC/DC Buck đi vào chế độ DCM, do đó trong luận văn này sẽ thiết kế điểm chuyển giữa chế độ PWM và PFM là khi dòng điện trung bình của cuộn dây giảm dưới 50mA [19]

Có nhiều phương pháp điều khiển nguồn xung, như [25] dùng hai vòng lặp điều khiển nhưng mạch sẽ phức tạp hơn và tiêu thụ nhiều công suất, do đó trong luận văn sẽ dùng chế độ điều khiển chỉ một vòng lặp bằng áp (voltage mode)

1.3 Mục đích của đề tài:

Mục đích chính của luận văn là đưa ra phương pháp và sơ đồ khối mô tả hoạt động của mạch Buck để cải thiện hiệu suất của mạch nguồn và thông số đề xuất ban đầu cho mạch nguồn Buck từ đó điều khiển nguồn xung DC/DC hoạt động ở chế độ PWM khi dòng tải lớn, chuyển qua chế độ PFM khi dòng tải nhỏ, và khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 1.9V thì sẽ đi vào chế độ Bypass để giảm nhiễu

Tham khảo thông số từ các chip nguồn phổ biến trên thị trường và các bài báo khoa học trên IEEE ở bảng 1.2 thông số của mạch Buck trong luận văn được đặt ra ban đầu ở bảng 1.3

Thông số đề xuất của mạch Buck

(50mA là mức ngưỡng của dòng khi chuyển từ

PWM sang PFM) Các mạch logic điều khiển Counter, Mux, Latch, logic

Từ các thông số đặt ra ban đầu ở bảng 1.3, luận văn sẽ trình bày cách thiết kế từng

khối nhỏ và ghép lại để xây dựng hệ thống mạch Buck và tiến hành mô phỏng để đảm bảo kết quả phải phù hợp các thông số đề xuất

1.4 Tóm tắt đề tài:

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài:

- Trình bày phương pháp để cải thiện hiệu suất cho mạch nguồn xung Buck

- Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Cadence

- So sánh kết quả mô phỏng với thông số đề xuất

6

1.4.2 Giới hạn của đề tài:

- Đề tài chỉ thiết kế và mô phỏng hệ thống trên Cadence

- Không chế tạo chip

- Không làm mô hình thực tế

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

- Dùng phương pháp mô phỏng để mô phỏng các khối mạch nhỏ và toàn hệ thống trên phần mềm cadence

- Phân tích mạch và chọn giá trị các linh kiện cho mạch

- Dùng các kiến thức về vi mạch tương tự để thiết kế các khối mạch nhỏ ở mức transistor

- Thiết kế mạch dùng công nghệ CMOS gồm NMOS, PMOS và BJT, chỉnh kích thước W/L phù hợp để tối ưu hiệu năng

1.6 Kết cấu của luận văn:

Trong luận văn này sẽ trình bày các nghiên cứu về mạch nguồn xung DC/DC và thiết

kế mạch hạ áp Buck DC/DC trên công nghệ CMOS 65nm tần số switching 1Mhz, điện

áp ngõ vào từ 1.5v đến 3.8v, điện áp ngõ ra 1.5v Mục đích chính là đưa ra các phương pháp và thuật toán để cải thiện hiệu suất của mạch nguồn

Các chương còn lại của luận văn được sắp xếp như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết thảo luận các phương pháp chuyển đổi DC/DC và các kiến trúc của chúng

Chương 3 Thiết kế mạch DC/DC Buck, cải tiến và tính toán các thông số cho mạch

Chương 4 Đánh giá hiệu năng của mạch DC/DC Buck, mô phỏng mạch với sự thay đổi của PVT và chuyển đổi giữa các chế độ của mạch

Chương 5 Kết luận so sánh kết quả mô phỏng với thông số đặt ra ban đầu và hướng phát triển của luận văn

7

CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về chuyển đổi

DC/DC

Mạch nguồn xung và nguồn tuyến tính là hai phương pháp phổ biến để chuyển đổi điện

áp DC chưa điều chỉnh sang điện áp DC có điều chỉnh, không bị ảnh hưởng bởi dòng điện trên tải hoặc điện áp ngõ vào Trong chương này tôi trình bày những phương pháp

chuyển đổi DC/DC và những ưu và nhược điểm của chúng

2.1 Các phương pháp chuyển đổi DC/DC:

Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn tuyến tính Như đã chỉ ra trong hình 2.2, phần điều khiển “nguồn dòng điều khiển bởi điệp áp” sẽ cảm biến điện áp tại ngõ ra và điều chỉnh nguồn dòng 𝐼𝑠 để giữ điện áp ngõ ra bằng với

𝑉𝑟𝑒𝑓

8

Hình 2.2 Nguồn tuyến tính Không giống như nguồn xung, nguồn tuyến tính hoạt động liên tục vì thế hiệu suất của

nó thấp hơn nguồn xung và tạo ra nhiều nhiệt hơn so với nguồn xung Ví dụ như điện

áp ngõ vào và dòng điện của nó là 5V và 5A, cần 2V tại ngõ ra Công suất thất thoát của nguồn tuyến tính = 3V*5A =15W ở biến trở cũng như tạo thành nhiệt lượng tỏa ra để điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng 2V, do đó cần tản nhiệt có kích thước lớn để giảm nhiệt

độ của mạch Khi sự chênh lệch điện áp giữa ngõ vào và ngõ ra càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, và do đó yêu cầu về tản nhiệt cũng tăng lên tương ứng

2.1.2 Nguồn xung:

Nguồn xung dùng xung để bật tắt các transistor và các thành phần tích năng lượng như

tụ điện và cuộn dây, biến áp để điều chỉnh điện áp ngõ ra Cấu trúc của nguồn xung bao gồm 2 phần chính: phần công suất và phần điều khiển Ngày nay các nghiên cứu tập trung vào phần điều khiển để nâng cao khả năng ổn định điện áp ngõ ra, phần công suất thường không có nhiều thay đổi

Mosfet thường được dùng như công tắc công suất trong mạch nguồn xung Các công tắc này không dẫn liên tục và chúng hoạt động dưới một khoảng tần số cụ thể Vì thế nguồn xung giúp kéo dài thời gian sử dụng cho các ứng dụng dùng pin và giảm công suất thất thoát trong mạch

Hình 2.4 Mạch nguồn xung

2.2 Nguồn xung vs nguồn tuyến tính:

Các lý do dưới đây giải thích nguồn xung là sự lựa chọn hợp lý so với nguồn tuyến tính

10

• Hiệu suất cao:

Nguồn tuyến tính dựa vào sự rớt áp qua transistor để điều chỉnh điện áp ngõ ra Vì thế công suất thất thoát sẽ chuyển thành nhiệt và yêu cầu thiết bị tản nhiệt lớn để giảm nhiệt

độ của mạch, ngược lại nguồn xung dùng công nghệ đóng tắt transistor liên tục do đó giảm công suất thất thoát Khi đó những transistor này không dẫn liên tục (phụ thuộc vào tần số đóng mở và duty-cycle), do đó nguồn xung có hiệu suất cao hơn so với nguồn tuyến tính

Hiệu suất của nguồn xung và nguồn tuyến tính được biểu diễn ở biểu thức (2.1)

kể từ đó dẫn đến thời gian hoạt động của pin giảm theo

• Đa dụng:

Năng lượng được giữ tại cuộn dây tại ngõ ra của nguồn xung có thể được biến thành điện áp ngõ ra, do đó điện áp tại ngõ ra có thể lớn hoặc bé hơn điện áp ngõ vào, thậm chí có thể chuyển thành điện áp âm, trong khi đó ở nguồn tuyến tính thì điện áp ngõ ra lúc nào cũng bé hơn điện áp ngõ vào

• Hạn chế của nguồn xung:

Nguồn xung cũng có những mặt hạn chế của riêng nó, mặc dù kích thước và trọng lượng của nguồn xung thì nhỏ hơn so với nguồn tuyến tính nhưng nó yêu cầu mạch hồi tiếp phức tạp để điều khiển so với nguồn tuyến tính để quản lý năng lượng Điều này sẽ làm

bộ lọc LC ở ngõ ra

2.3 Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck:

Mạch hạ áp DC/DC Buck là một dạng của nguồn xung được dùng để hạ áp từ ngõ vào Phần điều khiển đóng mở các công tắc và phần công suất là hai phần chính của mạch

Nó có thể hoạt động trong chế độ liên tục (Continuous Conduction Mode) hoặc trong chế độ không liên tục (Discontinuous Conduction Mode) phụ thuộc vào dạng sóng của dòng điện ở cuộc dây[1] Chế độ điều khiển bằng áp (Voltage Control Mode) và Chế độ điều khiển bằng dòng (Current Control Mode) là hai phương pháp chính để điều khiển đóng mở transistor Cả hai phương pháp trên có thể sử dụng với công nghệ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulation) hoặc điều chế tần số (Pulse frequency modulation) Phương pháp Điều chế độ rộng xung sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải lớn ngược lại Điều chế tần số sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải nhỏ

Hình 2.5 mô tả mạch hạ áp DC/DC buck, nó bao gồm bộ điều khiển đóng tắt transistor, công tắc công suất 𝑆1, 𝑆2, cuộn dây L, tụ điện C, điện trở tải 𝑅𝐿

12

Hình 2.5 Mạch hạ áp Buck Thông thường P-chanel MOSFET (PMOS) được dùng cho công tắc 𝑆1 thay vì NMOS bởi vì khi dùng NMOS cho công tắc 𝑆1 thì rất khó để điều khiển đóng mở NMOS [1] Diode(được dùng trong mạch thế hệ cũ) nay đã được thay bằng NMOS để tăng hiệu suất của mạch Khi điện áp rơi trên MOSFET thấp so với diode (thậm chí đối với Schottky diode có thấp điện áp rơi), tổng công suất thất thoát trên bộ chuyển đổi DC/DC sẽ giảm đáng kể với sự thay thế này Hình 2.6 mô tả mô hình của mạch Buck

Hình 2.6 Mạch Buck khi dùng transistor

Nguyên lý hoạt động:

Khi công tắc 𝑄1 đóng sẽ nối nguồn 𝑉𝑖𝑛 với cuộn dây L, cuộn dây L được nạp năng lượng

và đưa ra dòng điện tải Quá trình nạp này sẽ liên tục cho đến khi điện áp ngõ ra bằng với 𝑉𝑟𝑒𝑓, khi đó phần điều khiển sẽ tắt 𝑄1 để giữ điện áp ngõ ra bằng với 𝑉𝑟𝑒𝑓 Khi đó

sẽ không còn đường để nạp năng lượng vào cuộn dây L, cuộn dây khi đó sẽ xả năng lượng qua 𝑄2 chiều dòng điện của cuộn dây L sẽ không thay đổi, quá trình xả này sẽ tiếp tục đến khi điện áp ngõ ra giảm xuống bên dưới 𝑉𝑟𝑒𝑓 khi đó phần điều khiển một lần nữa đóng 𝑄1 để bù lại lượng giảm ở điện áp ngõ ra và quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi kết thúc quá trình điều chỉnh điện áp ngõ ra [4]

13

Quá trình này được thực hiện bởi cảm biến điện áp ngõ ra và dùng cơ chế hồi tiếp âm

để điều khiển duty-cycle (2.3) điều khiển trạng thái đóng và mở của Mosfet dưới một tần số đóng tắt cố định

2.4 Các mạch dùng trong nguồn hạ áp DC/DC Buck:

2.4.1 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung:

Bộ điều chế độ rộng xung là thành phần chính trong mạch nguồn DC/DC, nó điều khiển các công tác đóng và mở để điều chỉnh điện áp ngõ ra, nói một cách khác duty-cycle sẽ thay đổi để giữ điện áp ngõ ra bằng với 𝑉𝑟𝑒𝑓 Ví dụ như trong mạch Buck nếu 𝑉𝑟𝑒𝑓 giảm xuống điện áp thấp thì bộ điều chế độ rộng xung sẽ giảm duty-cycle thông qua việc giữ

𝑄1dẫn trong phần lớn chu kì để chỉnh lưu điện áp tại ngõ ra Hình 2.7 chỉ sơ đồ khối của

bộ điều chế độ rộng xung DC/DC Buck

Hình 2.7 Sơ đồ khối của bộ điều chế độ rông xung DC/DC Buck

Kiến trúc:

Như đã chỉ ra trong hình 2.8, bộ điều chế độ rông xung DC/DC Buck gồm hai phần chính: bộ khuyếch đại sửa lỗi và bộ so sánh Bộ khuyếch đại sửa lỗi so sánh điện áp hồi tiếp 𝑉𝑓𝑏 đến điện áp tham chiếu 𝑉𝑟𝑒𝑓 khi đó sự khác nhau của hai tín hiệu gọi là tín hiệu lỗi 𝑉𝑒, tín hiệu này sau khi được khuyếch đại thì đưa đến ngõ vào không đảo của bộ so

để điều chỉnh điện áp ngõ ra Ngược lại như đã chỉ trong hình 2.10 khi điện áp tham chiếu 𝑉𝑟𝑒𝑓 ở mức cao, bộ khuyếch đại lỗi sẽ giảm điện áp lỗi 𝑉𝑒 để kéo dài thời gian PMOS 𝑄1 dẫn trong mỗi chu kì để điều chỉnh điện áp ngõ ra [6]

15 Hình 2.9 Dạng sóng duty cycle khi 𝑉𝑟𝑒𝑓 ở mức cao

Hình 2.10 Dạng sóng duty cycle khi 𝑉𝑟𝑒𝑓 ở mức thấp

16

2.4.2 Tầng công suất:

Tầng công suất bao gồm nhiều thành phần như công tắc PMOS 𝑄1, NMOS 𝑄2, mạch lái

𝑄1và 𝑄2, bộ lọc LC tại ngõ ra và tải PMOS được dùng như công tắc ở phía trên, còn NMOS là công tắc ở phía dưới Mosfet công suất PMOS và NMOS phải đủ lớn để có trở kháng thấp để giảm công suất thất thoát trong khi dẫn Mạch lái (driver) là một trong những phần chính của DC/DC, nó giúp hỗ trợ dòng điện để nạp hoặc xã vào tụ cực

“gate” của Mosfet công suất PMOS và NMOS để có thể nhanh chóng đóng hay mở chúng Bộ lái tải thường gồm nhiều cổng đảo mắc nối tiếp nhau với kích thước transistor phù hợp để tối ưu hiệu suất khi lại Mosfet công suất

Vấn đề chính khi thiết kế bộ lái tải chính là công suất thất thoát trong quá trình truyền tín hiệu Công suất thất thoát trong Mosfet công suất và mạch lái chiếm phần đáng kể khi so với các thành phần khác trong mạch Vì thế các kỹ sư luôn cố gắng cải thiện hiệu suất của mạch DC/DC bằng cách điều chỉnh kích thước của Mosfet công suất và điều chỉnh mạch lái để giảm công suất tiêu thụ [7]

2) Ưu điểm chính khi dùng cuộn dây trong mạch nguồn xung là do khả năng “trữ năng lượng” của nó [3]

17

Do 90 độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp của cuộn dây Năng lượng có thể được lưu trong chu kì nạp và được phục hồi trong chu kì xả Năng lượng này có thể được tính toán theo Joules:

E = 1

2 L I2 (2.4) I: dòng điện trong cuộn dây

L: giá trị cuộn cảm [3]

2.4.4 Tụ điện:

Tụ điện được dùng tại ngõ ra của mạch Buck để giảm gợn sóng của điện áp và quá áp trên tải Tụ điện phải đủ lớn để giảm thiểu sụt áp ở ngõ ra trong thời gian xả, vì thế khi chọn tụ điện có điện dung nhỏ thì sẽ xuất hiện gợn sóng lớn tại ngõ ra và sụt áp sẽ nhiều hơn so với chọn tụ có điện dung lớn “ Sụt áp lớn do dùng tụ điện không phù hợp, gợn sóng lớn gây ra bởi không đủ điện dung cũng như giá trị lớn ở điện trở kí sinh trên tụ điện (Equivalent series resistance) của tụ điện tại ngõ ra [12].”

Giá trị tối đa của quá áp và gợn sóng tại ngõ ra là một trong những thông số quan trọng khi thiết kế mạch Buck Vì thể để thỏa các yêu cầu về gợn sóng cho mạch Buck, tụ điện tại ngõ ra phải được chọn với giá trị điện dung phù hợp và thấp điện trở kí sinh Một vấn

đề nữa là khi chọn tụ điện có thấp giá trị điện trở kí sinh thì có thể gây mất ổn định cho mạch

2.5 Công suất thất thoát và hiệu suất:

Hiệu suất của mạch chuyển đổi DC/DC thì luôn là vấn đề quan tâm chính đối với các

kỹ sư thiết kế Họ cố gắng áp dụng nhiều công nghệ khác nhau để giảm công suất thất thoát trong các thành phần khác nhau như là Mosfet công suất để tăng hiệu suất của mạch chuyển đổi Vấn đề chính của việc tiêu hao công suất trong mạch nguồn DC/DC

ở Mosfet công suất bao gồm công suất dẫn 𝑃𝑐𝑜𝑛 và công suất đóng mở Mosfet công suất

𝑃𝑠𝑤 Tổng công suất thất thoát do Mosfet công suất được tính ở biểu thức (2.5) [5]

𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝑃𝑐𝑜𝑛+ 𝑃𝑠𝑤 (2.5) Công suất thất thoát do Mosfet công suất ở phía trên 𝑄1được tính theo công thức như sau:

18

𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠𝐻𝑆 =𝑅⏟ + 𝐷𝑆(𝑜𝑛) 𝐼𝑜𝑢𝑡2 D (𝑉𝑖𝑛 𝐼𝑜𝑢𝑡)

2 (𝑡𝑟 + 𝑡𝑓) 𝑓𝑠𝑤 + 𝐶𝑜𝑠𝑠 𝑓𝑠𝑤 + 𝐶𝑜𝑠𝑠 𝑓𝑠𝑤 𝑉𝑖𝑛2

⏟ (2.6)

𝑃𝑐𝑜𝑛 𝑃𝑠𝑤

𝑉𝑖𝑛: điện áp ngõ vào, 𝑡𝑟: thời gian cạnh lên ở cực Gate của Mosfet, 𝑡𝑓: thời gian cạnh xuống ở cực Gate của Mosfet, 𝑓𝑠𝑤: tần số đóng mở Mosfet công suất, 𝐶𝑜𝑠𝑠: điện dung tại cực Gate của Mosfet

Như đã chỉ ra trong công thức (2.6) biểu thức đầu tiên chỉ ra thất thoát công suất Mosfet lúc dẫn, và phần thứ hai mô tả công suất thất thoát do hoạt động đóng và mở Mosfet công suất Công suất hao phí lúc dẫn thì trực tiếp liên quan đến giá trị 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) và "D" có vai trò quan trọng để giảm công suất hao phí của Mosfet 𝑄1 Mặt khác công suất hao phí

do đóng mở Mosfet 𝑃𝑠𝑤 thì liên quan đến tần số đóng mở Mosfet công suất vì thế khi tăng tần số đóng mở thì công suất hao phí cũng tăng theo

Công suất hao phí của Mosfet 𝑄2được tính như biểu thức bên dưới:

𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠𝐿𝑆 = 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) 𝐼𝑜𝑢𝑡2.(1 – D) (2.7) Công suất hao phí của 𝑄2 thì liên quan đến trở kháng 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) nhưng tỉ lệ nghịch với duty cycle Công suất hao phí 𝑄2không đáng kể nên nó có thể bỏ qua khi tính toán [5]

2.6 Tính toán duty cycle cho mạch Buck:

Hình 2.11 Mạch Buck khi ở trạng thái mở [13]

Hình 2.12 Mạch Buck khi ở trạng thái đóng [13]

Trong hình 2.12 khi 𝑆1 ngắt và 𝑆2 đóng sẽ cung cấp đường xả năng lượng của cuộn dây, dòng điện của cuộn dây sẽ giảm và điện áp “-𝑉𝑜𝑢𝑡” ở hai đầu cuộn dây [13]

Hình 2.13 mô tả dạng sóng của cuộn dây trong cả hai trạng thái đóng và mở

20

Hình 2.13 Mô tả dạng sóng của cuộn dây trong cả hai trạng thái đóng và mở Theo định luật faraday, chúng ta có thể tính toán lượng tăng của dòng điện trong cuộn dây trong trạng thái đóng ΔI𝐿𝑜𝑛 và giảm khi trong trạng thái mở ΔI𝐿 𝑜𝑓𝑓 từ biểu thức (2.9) và (2.10)

I𝐿𝑡0 = I𝐿 𝑇 (2.11)

Năng lượng trữ trong cuộn dây ở cuối chu kì bằng với năng lượng trữ ở đầu chu kì, từ biểu thức (2.12)

21

(𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡)

𝐿 𝑡𝑂𝑁 - 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐿 𝑡𝑂𝐹𝐹 = 0 (2.12) Thời gian đóng và mở có thể được viết theo biểu thức (2.13) và (2.14)

𝑡𝑂𝑁 = 𝐷 𝑇 (2.13)

𝑡𝑂𝐹𝐹 = (1 − 𝐷) 𝑇 (2.14) Chèn hai biểu thức trên vào biểu thức 2.11, duty cycle có thể dễ tính theo biểu thức (2.15)

D = 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛 (2.15)

2.7 Bù pha và tiêu chuẩn ổn định:

Để đảm bảo sự ổn định của mạch nguồn sử dụng nguyên lý điều khiển dùng hồi tiếp âm thì vấn đề bù pha rất quan trọng, bởi vì khi chúng ta không thiết kế mạch bù pha thì khi

có sự thay đổi của điện áp ngõ vào hoặc dòng điện tải thì sẽ dẫn đến toàn hệ thống mất

ổn định và dao động và ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của mạch nguồn Cải thiện phase margin (bằng cách tạo thêm zero trong hàm truyền của mạch nguồn) để giúp mạch nguồn hoạt động ổn định và cải thiện độ lợi tại tần số thấp và giữ điện áp ngõ ra gần xấp xỉ với điện áp tham chiếu chính là 2 mục đích chính khi dùng công nghệ bù pha cho mạch [16]

Để đảm bảo cho hệ thống hồi tiếp hoạt động ổn định thì các trường hợp sau đây cần được xem xét:

• Trong trường hợp xấu nhất thì hệ thống vẫn đảm bảo phase margin từ 350 đến

450 ( tối ưu ở 450 đến 600) [1]

• Gain margin tối ưu từ -6 dB đến -12 dB để giữ ổn định của toàn hệ thống

• Tần số crossver phải nhỏ hơn phân nửa của tần số đóng mở, nhưng trong thực tế thì thường chọn bằng 1

Có ba kiểu bù pha thường dùng (phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau) cho mạch DC/DC Buck : kiểu I, kiểu II và kiểu III Bù kiểu I thường được dùng cho hệ thống đơn cực và ít dùng trong thực tế do nó giới hạn băng thông và cho phase margin thấp, tuy nhiên nó lại cho độ lợi DC lớn tại tần số thấp, do đó bù kiểu II, III được dùng nhiều để cải thiện băng thông và phase margin đảm bảo sự ổn định của hệ thống

Bù kiểu II dùng ít thành phần hơn so với kiểu III và nó giúp ít khi tụ điện tại ngõ ra có lớn thành phần trở khí sinh ESR, ngược lại bù kiểu III thường dùng khi có nhỏ ESR ở

tụ ngõ ra [1] Nếu zero được tạo ra bở ESR của tụ cung cấp đủ độ tăng pha tại tần số cắt thì bù kiểu II sẽ phù hợp, ngược lại phải dùng kiểu III để bù pha cho mạch

2.7.1 Bù kiểu I:

Trong hình 2.14, mạch bù kiểu I chính là mạch tích phân dùng op-amp Nếu điện áp của ngõ ra không bằng với điện áp tham chiếu( nhỏ hơn điện áp tham chiếu) khi đó 𝑅𝑏𝑖𝑎𝑠 sẽ được kết nối giữa cổng đảo của bộ khuyếch đại lỗi và ground có chức năng như điện trở được điều khiển bởi áp để tạo ra offset để điều chỉnh giá trị của điện áp ngõ ra bằng với điện áp tham chiếu 𝑅𝑏𝑖𝑎𝑠 không ảnh hưởng đến hiệu năng của mạch bù và có thể bỏ đi khi nó không thực sự cần thiết [1]

23

Hình 2.14 Bù kiểu I [1]

2.7.1.1 Hàm truyền của bù kiểu I:

Bù kiểu I có 1 cực tại DC vì vậy nó có độ dốc -20 dB/dec và độ dịch pha ‘-900’ tại tất

cả tần số khác nhau Hình 2.15 chỉ giản đồ Bode của bù kiểu I

24

2.7.2.1 Hàm truyền bù kiểu II:

Bù kiểu II có 1 cực tại DC và cặp pole-zero 𝑅1, 𝐶1 định giá trị pole tại DC 𝑅2, 𝐶2 tạo nên zero Giá trị của 𝐶1 thường được chọn nhỏ hơn 𝐶2 vì vậy vị trí của 𝑓𝑧𝑐2 sẽ thấp hơn

vị trí của pole 𝑓𝑝𝑐2[1]

Mục đích của việc dùng mạch tích phân để thu được lớn độ lợi tại tần số thấp (DC), từ

đó lỗi tại DC sẽ giảm nhưng độ ổn định của hệ thống sẽ giảm tương ứng

Hàm truyền được mô tả trong công thức (2.17)

𝑉𝐸

𝑉 𝑜𝑢𝑡 = - 1

𝑅 1 𝐶 1 𝑠 +

1 𝑅2𝐶2

25

Hình 2.18 Mạch bù kiểu III [1]

Như đã nhắc đến ở trên khi phase của hệ thống được tăng bởi ESR của tụ ngõ ra không

đủ (giá trị ESR nhỏ) thì bù kiểu III được dùng để thêm vào zero trong hệ thống vòng lặp kín

2.7.3.1 Hàm truyền bù kiểu III:

Hàm truyền bù kiểu III có 1 cực tại DC và 2 cặp “zero-pole” Tụ 𝐶1, 𝑅1, 𝑅3 tạo thành cực tại DC và 𝐶2, 𝑅2 sẽ cho zero thứ 1, và zero thứ 2 được tạo thành bởi 𝐶3, 𝑅1, 𝑅3 𝐶3

𝑠.(𝑠 + 𝐶1 + 𝐶2

𝑅2𝐶1 𝐶2) ( 𝑠 +

1 𝑅3𝐶3 ) (2.20)

Hình 2.19 mô tả biểu đồ Bode của kiểu bù III

Trong chương 2 tóm tắt lý thuyết về chuyển đổi DC/DC, các thông số quan trọng cần biết về mạch Buck Đồng thời giới thiệu về kiểu bù để giữ ổn định cho các mạch dùng

hồi tiếp âm để giữ ổn định tại ngõ ra

27

CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch hạ áp DC/DC Buck

Một vấn đề quan trọng cần phải quan tâm khi sử dụng mạch nguồn xung DC/DC là vấn

đề nhiễu tại ngõ ra của chúng, nên khi dùng nguồn xung trong các ứng dụng yêu cầu nhiễu thấp thì phải mắc nối tiếp một bộ nguồn tuyến tính để giảm nhiễu tại ngõ ra Đối với các ứng dụng sử dụng nguồn pin, thì điện áp pin sẽ giảm dần với thời gian sử dụng đồng nghĩa là duty-cycle của nguồn xung sẽ tăng lên và sẽ càng tạo ra nhiều nhiễu tại ngõ ra Chế độ bypass sẽ tắt nguồn DC/DC và điện áp đầu vào sẽ nối trực tiếp với điện

áp ngõ ra của DC/DC để giảm nhiễu cho điện áp ngõ ra của DC/DC

Đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp để tăng hiệu suất của mạch nguồn xung DC/DC:

- Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải lớn [1]

- Phương pháp điều chế tần số (PFM) sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải nhỏ [15]

- Chế độ bypass sẽ giúp giảm nhiễu tại ngõ ra

Với các lý do trên trong luận văn này tôi đề xuất thuật toán điều khiển và cấu trúc mạch

để có thể điều khiển nguồn xung DC/DC hoạt động ở chế độ PWM khi dòng tải lớn, chuyển qua chế độ PFM khi dòng tải nhỏ, và khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 1.9V thì sẽ đi vào chế độ bypass

28

Hình 3.1 Ba chế độ điều khiển PWM, PFM và Bypass

Nhiều thông số cần được tính khi thiết kế mạch chuyển đổi DC/DC như hiệu suất, khả năng đáp ứng, gợn sóng tại ngõ ra, tính ổn định của toàn hệ thống và diện tích của chip Đáp ứng nhanh với sự thay đổi tải có thể đạt được bởi tăng tần số đóng ngắt nhưng cũng đồng thời giảm hiệu suất của hệ thống vì thế luôn có sự đánh đổi giữa đáp ứng và hiệu suất của mạch DC/DC

3.1 Cải tiến mạch:

Hầu hết mạch chuyển đổi DC/DC hiện nay đều thay diode bằng NMOS để tăng hiệu suất của mạch và để dễ tích hợp trên cùng 1 chip Nhưng cũng có một điều bất lợi là mạch sẽ có hiệu suất thấp khi tải bé do NMOS sẽ đóng trong toàn chu kì xả Vì thế khi

bộ chuyển đổi hoạt động dưới tải bé, 𝐼𝐿 sẽ xả tới 0 và khi đó dòng điện trên cuộn dây sẽ đổi chiều đi từ ngõ ra qua cuộn dây, NMOS xuống đất Vì thế khi mạch đồng bộ Buck hoạt động ở chế độ liên tục trong điều kiện tải thấp, kết quả nó sẽ tiêu thu rất lớn năng lượng

29

Để thiết kế mạch đồng bộ Buck có hiệu năng cao và hoạt động tốt với sự thay đổi lớn của dòng điện tải, khi dòng điện tải thấp mạch Buck phải hoạt động ở chế độ không liên tục Trong [10] và [11] khi dòng điện cuộn dây xuống dưới zero sẽ bị chặn lại bởi dùng các công nghệ khác nhau và hiệu suất sẽ được cải thiện khi tải thấp

Hiện nay có nhiều công nghệ được dùng để cải thiện hiệu suất của Buck khi tải lớn và thấp, trong luận văn này trong suốt thời gian xả ,dòng điện cuộn dây sẽ giữ ở mức lớn hơn zero vì thế khi thiết kế không cần dùng đến cơ chế hồi tiếp phức tạp để điều khiển chế độ liên tục hay chế độ không liên tục

Dòng điện cuộn dây 𝑖𝐿 có thể đo theo định luật Faraday (3.1) :

𝑉𝐿 = 𝐿 𝑑𝐼𝐿

𝑑𝑡 (3.1)

Khi 0 < t ≤ D.T ;

𝑖𝐿 = 𝑉𝑖 −𝑉 𝑜

𝐿 t (3.2)

𝑉𝑖, 𝑉𝑜: điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch Buck

Dạng sóng của dòng điện cuộn dây khi hoạt động ở vùng biên giữa chế độ liên tục và không liên tục được mô tả trong hình 3.2:

30

Hình 3.2 Dạng sóng của dòng điện cuộn dây khi hoạt động ở chế độ biên giữa liên tục

và không liên tục Dòng điện đỉnh tại biên có thể biểu điễn bởi biểu thức (3.3):

∆𝑖𝐿 = 𝑖𝐿(𝐷𝑇) = (𝑉𝑖 −𝑉 𝑜 )

𝐿 D.T = 𝑉𝑜(1−D)

𝐿 𝑓 𝑠 (3.3) Gợn sóng đỉnh đỉnh tối đa của dòng điện cuộn dây có thể thu được từ biểu thức (3.4)