Integrated multi-phase DC-DC converters in 0.35μm CMOS for automotive applications

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von hocheffizienten, monolithischen Multi-Phasen-Gleichstromwandlern in 0.35mym CMOS Technologie für den Einsatz im Automobilbereich. Im Verlauf dieser Arbeit wurden die entworfenen Konzepte und Schaltungen als anwenderspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) in einem hochvoltfähigen Fertigungsprozess realisiert, getestet und verifiziert.<br />Die Anwendung der entwickelten ASICs zielt auf den Einsatz in den Energiesystemen der aufkommenden Elektroautos ab. Im Fokus steht die Hilfsstromversorgung mit Hilfe von ins Autodach integrierte Solarzellen, welche über die behandelten Gleichstromwandler in das 12V Bordnetz einspeisen. Dabei ist die gesamte installierte Spitzenleistung von etwa 600W auf mehrere Zellengruppen von 9 bis 10 Zellen aufgeteilt, um die Regeleigenschaften zu verbessern. Jeder dieser Zellengruppen hat eine Spitzenleistung von bis zu 40 Watt und die entworfenen Gleichstromwandler sorgen für deren optimalen Betrieb. Um den Anforderungen nach einem möglichst kompakten Design der Leistungsregler zu genügen sind die untersuchten Solarregler als "System on Chip" (SoC) entworfen worden, bei welchen die Signalverarbeitung, die Steuerungselemente sowie der aktive Leistungsteil sich auf einem Siliziumchip befinden. Ausgangspunkt dieser Arbeit ist ein Solarregler welcher aus einem diskret realisierten, einphasigen Leistungsteil und einem CMOS integrierten Steuerteil besteht. Dabei beinhaltet der Steuerteil den Algorithmus für die Leistungsregelung der Solarzellen wobei er auch das PWM modulierte Schaltsignal (500 kHz) für den Aufwärtswandler generiert. Mit einer Ausgangsspannung von etwa 12V zielt diese Anordnung auf die Verwendung als zusätzliche regenerative Energiequelle in Elektrofahrzeugen ab.<br />Diese Arbeit verfolgt die Erweiterung des Konzeptes von integrierten Solarreglern. Im Kern konzentriert sie sich auf die Entwicklung von integrierten Multi-Phasen-Gleichstromwandlern welche gemeinsam mit dem CMOS Leistungsregler auf einem Chip realisiert werden können. Durch dieses Konzept bei dem sich die aktiv gesteuerten Elemente des Leistungskreises mit den entsprechenden Treibern und Regelschaltungen zusammen mit dem Solarzellenregler auf einem Chip wiederfinden wird eine wesentlich höhere Integrationsstufe erreicht. Neben der kompakteren Bauweise solcher hochintegrierten Wandler ergeben sich auch größere erreichbare Schaltfrequenzen sowie bessere Systemwirkungsgrade. Ein Hauptvorteil der untersuchten Wandler liegt in der mehrphasigen Ausführung, wobei jede einzelne der drei realisierten Phasen mit 500 kHz betrieben wird. Durch den synchronen Betrieb der einzelnen Phasen mit einem Versatz von 120◦ ergibt sich an der Last ein stark verringerter Rippel mit der dreifachen Frequenz, welcher einfacher ausgefiltert werden kann. Die realisierten und getesteten Multi-Phasen-Aufwärtswandler basieren auf der H35 Technologie von ams AG, einem hochvoltfähigen CMOS Triplewell Prozess mit einer minimalen Strukturbreite von 0.35mym. Im Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik liefert diese Arbeit folgende Verbesserungen:<br />* mathematische Analyse und Charakterisierung der Multi-Phasen-Aufwärtswandlern, * die erste Meldung des IC-Designs und der IC-Überprüfung der neuerdings vorgeschlagenen Nichltlinearen Mittelwertstromsteuerungsmethode (NACC) für DC-DC- und PFC-Wandlern, * die Meldung und Implementierung neuartiger Lösung für die integrierte Strommessungsschaltungen, * die Implementierung neuartiger Multi-Phasen-Gleichstromspannungswandlern für die solarbetriebenen Automobilanwendungen.<br />

This thesis discusses the topic of power-efficient integrated multi-phase dc-dc converters in 0.35mym CMOS for automotive applications. Research in the area of application specific integrated circuits (ASIC) for monolithic integration in high-voltage (HV) CMOS of multi-phase solar-powered dc-dc converters is performed in this work. Analysis and design of dc-dc converter units suited for innovative spatially distributed power architecture in electric vehicles of the future has a central point in this dissertation. It focuses on the supplying of the 12V power net in cars from the photovoltaic input of, in total, ∼600W from many small groups of about 9 - 10 solar cells in a stack. Each such stack can provide up to 40W of power and is individually matched to the load. In order to address the challenges of the compact design and to achieve the highest possible efficiency, these photovoltaic power converters have at least signal processing and control tasks implemented on one silicon chip. The solution developed and fabricated in the first instance is a hybrid single-phase boost converter which has a completely discrete and optimised power stage, but monolithically integrated low-side driver, and which fulfils all the requirements of the given application. It serves a purpose of supplying the electric vehicle auxiliary board net, i.e. the lead-acid battery (12 V), from the solar cell stack with the maximum power of 40W transferred at ∼500 kHz switching frequency.<br />The focus is, however, on integrated multi-phase dc-dc converters which achieve higher level of integration by partially integrating power stage, since all low-side power switches are integrated on the same die together with control functionality. Additionally, they offer faster operation as well as the efficiency improvement. The switching frequency of each phase is ∼500 kHz, hence the frequency at which the power is transferred to the load is effectively ∼1:5MHz due to interleaving of three converter's phases. Such multi-phase boost converters were manufactured in the same CMOS process as the single-phase boost converter. The work advances the state-of-the-art of power electronic solutions in the following areas by providing:<br />mathematical analysis and characterisation of the multiphase interleaved boost converters, the first-ever reported integrated-circuit verification of the recently proposed Nonlinear Average Current Control (NACC) method for dc-dc and PFC converters, a proposal and implementation of the novel integrated current sensing circuit for measurement of the power-switch current, and implementation of novel integrated multi-phase dc-dc converters for automotive solar-powered applications.<br />