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

Abstract

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. BCM Wandler sind eine wichtige, aufkommende Klasse von energiesparenden Stromversorgungsystemen. In dieser Arbeit wird die Frage aufgeworfen, ob eine in Silizium integrierte BCM Steuerschaltung die gleiche Arbeitsleistung erreicht wie eine Schaltung, die aus diskreten Bauteilen aufgebaut wurde. Es werden zwei Anforderungen an das konzeptuelle Modell gestellt. Erstens sollten keine Fehler auftreten, die durch mögliche Prozessvariation, durch Bauteilungleichheiten und durch Arbeitsbedingungen des Wandlers entstehen können. Die Vermeidung solcher Fehler bedeutet, dass einige teure Produktionstests unterlassen werden können. Die zweite Anforderung ist, dass der dynamische Bereich groß genug sein soll, sodass eine universelle Steuerschaltung entwickelt werden kann. Der dynamische Bereich muss jener garantierte Bereich sein, wo alle extremen Technologietoleranzecken berücksichtigt sind. Dies würde Übertragbarkeit bringen, wobei dann der gleiche Regler in unterschiedlichen Produkten verwendet werden kann. 6-Sigma Simulationen sind nicht ausreichend, um ein robustes Design zu garantieren. Stattdessen wurden aufgrund von Ungleichheiten wegen der auftretenden Toleranzen der Technologie, Monte-Carlo Simulationen durchgeführt, um schlechte Konstellationen in der Toleranzvariation bei einer gegebenen Bauteilanordnung zu finden. Aus diesen Simulations- und Testergebnissen wurden dann Schlussfolgerungen gezogen. Obwohl viele Probleme auftraten und jede Lösung scheinbar ein neues Problem hervorgerufen hat, wurde am Ende erkannt, dass diese Probleme durch ein gutes Design gelöst werden können. Schlussfolgernd kann man sagen, dass Stromversorgungssystemsteuerungen in CMOS Technologien ohne Verminderung der Arbeitsleistungsfähigkeit implementiert werden können. Für Großproduktionen wäre das Ersetzen einer Printplatte voller elektronischer Bauteile mit einer einzelnen integrierten Schaltung eine attraktive Option, um Produktgrößen, Gewicht und Produktionskosten zu reduzieren. Diese Möglichkeit sollte ernsthaft in Betracht gezogen werden.

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. BCM converters are an important emerging class of energy-saving power systems; in this thesis the question is raised as to whether a BCM controller implemented in silicon can achieve the same performance seen in controllers implemented with discrete components. Two requirements were imposed on the conceptual model. First, no failures should occur as the result of any combination of CMOS process variations, component mismatch errors, and converter operating conditions; preventing these failures means that some expensive production testing can be avoided. The second requirement was that the dynamic range should be large enough that a "universal controller" is developed. The dynamic range must be the guaranteed range when all process corners are considered. This would create portability, allowing the same controller to be used in different product designs. 6-sigma simulations are not sufficient to guarantee design robustness. A better approach is to look for mismatch errors using Monte Carlo simulation run from the weak process corners. The conclusions are drawn from these simulations and testing. Although many problems were encountered, and every solution seemingly created new problems, in the end these problems were resolved through design. The conclusion then is that power systems controllers can be implemented in CMOS with no loss of controller performance. For large-scale production, replacing a PC board full of components with a single chip offers an attractive option in reducing product size, weight, and manufacturing costs. It is an option that should be considered seriously.