Control of High-Frequency DC-DC Converters: A Time-Based Approach

Nowdays, technology is progressing steadily in the direction of Very Large Scale Integration (VLSI) and high switching frequencies. In particular, Buck Converters are widely used in Power Management Units (PMU) which are relevant part for many electronic equipments. It has numerous uses, including battery power systems, point-of-load converters, solar chargers, and power audio amplifiers. These applications often require modern control techniques; the Time-Based approach is gaining interest in both the research and industrial design community. This thesis analyzes a Time-Based DC-DC Buck Converter. The Time Based Controller has the advantages of both the Analog and the Digital Controller, because it has rail-to-rail CMOS levels like a digital controller, no quantization error, no Pulse Width Modulator (PWM), and no requirement for a high bandwidth Error Amplifier (EA). Every building block has been implemented in Matlab/Simulink to better understand the design requirements for such cutting edge control technique. To improve supply transient response, a Feedforward operation has been analyzed as well. The simulation procedure ended with finding that met the expectations of good output voltage control regardless of input voltage changes since are in line with the performances obtained with a fully-analog controller with Feedforward. Because there is no explicit modulator in such a topology, the controller itself is the key limiting factor, making the implementation of the Feedforward not trivial. The developed Time-Based controller shows its key performances and it has defined some basic design requirements to proceed with custom circuit design, resulting in low silicon area, high switching frequency and a low power profile, while maintaining the output voltage regulation, finally confirming the Time-Based control approach is effectiveness.

Al giorno d'oggi, la tecnologia progredisce costantemente in direzione dell'integrazione su scala molto ampia (VLSI) e delle elevate frequenze di commutazione. In particolare, i convertitori buck sono ampiamente utilizzati nelle unità di gestione dell'alimentazione (PMU), che sono parte integrante di molte apparecchiature elettroniche. I suoi impieghi sono numerosi, tra cui i sistemi di alimentazione a batteria, i convertitori di punto di carico, i caricabatterie solari e gli amplificatori audio di potenza. Queste applicazioni richiedono spesso tecniche di controllo moderne; l'approccio Time-Based sta guadagnando interesse sia nella comunità della ricerca che in quella della progettazione industriale. Questa tesi analizza un convertitore buck DC-DC Time-Based. Il controllore Time-Based presenta i vantaggi sia del controllore analogico che di quello digitale, in quanto ha livelli CMOS rail-to-rail come un controllore digitale, nessun errore di quantizzazione, nessun modulatore a larghezza di impulso (PWM) e nessun requisito per un amplificatore di errore (EA) ad alta larghezza di banda. Ogni blocco è stato implementato in Matlab/Simulink per comprendere meglio i requisiti di progettazione di questa tecnica di controllo all'avanguardia. Per migliorare la risposta ai transitori della rete, è stato analizzato anche un meccanismo di feedforward. La fase di simulazione si è conclusa con risultati che soddisfano le aspettative con un buon controllo della tensione di uscita indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso, poiché sono in linea con le prestazioni ottenute con un controllore completamente analogico con Feedforward. Poiché in questa topologia non c'è un modulatore esplicito, il regolatore stesso è il fattore limitante, rendendo l'implementazione del Feedforward non banale. Il controllore Time-Based sviluppato mostra le sue prestazioni chiave e ha definito alcuni requisiti di progettazione di base per procedere con la progettazione di circuiti personalizzati, ottenendo una bassa area del silicio, un'elevata frequenza di commutazione e un profilo di potenza ridotto, pur mantenendo la regolazione della tensione di uscita, confermando infine l'efficacia dell'approccio di controllo Time-Based.