Dc98-DC-DC Converter With Fast Transient Response and High Efficiency

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  • 7/28/2019 Dc98-DC-DC Converter With Fast Transient Response and High Efficiency

    1/7

    D C - D C C o n v e r t e r w i t h F a s t T r a n s i e n t R e s p o n s e a n d H i g h E c i e n c y

    f o r L o w - V o l t a g e M i c r o p r o c e s s o r L o a d s

    B a r r y A r b e t t e r a n d D r a g a n M a k s i m o v i c

    P o w e r E l e c t r o n i c s G r o u p

    D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g

    U n i v e r s i t y o f C o l o r a d o , B o u l d e r , C O 8 0 3 0 9 - 0 4 2 5

    P h o n e : 3 0 3 4 9 2 - 4 8 6 3 , F a x : 3 0 3 4 9 2 - 2 7 5 8 , a r b e t t e b @ r t t . c o l o r a d o . e d u , m a k s i m o v @ c o l o r a d o . e d u

    A b s t r a c t T h e p a p e r d e s c r i b e s a D C - D C c o n v e r t e r

    f o r u s e w i t h l o w v o l t a g e m i c r o p r o c e s s o r l o a d s . T h e

    c o n t r o l m e t h o d i s a h y s t e r e t i c c u r r e n t - m o d e c o n t r o l

    i n t h e c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e w h i c h h a s f a s t

    t r a n s i e n t r e s p o n s e . A t l i g h t l o a d s , t h e c o n v e r t e r o p -

    e r a t e s i n t h e d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e u s i n g a

    p e a k c u r r e n t c o n t r o l m e t h o d w h i c h c a u s e s t h e s w i t c h -

    i n g f r e q u e n c y t o b e p r o p o r t i o n a l t o l o a d c u r r e n t , t h u s

    m a i n t a i n i n g h i g h e c i e n c y i n a v e r y w i d e r a n g e o f

    l o a d s . T h e c o n t r o l m e t h o d i m p l e m e n t a t i o n , t r a n s i e n t

    r e s p o n s e a n d o u t p u t i n d u c t o r d e s i g n e q u a t i o n s , a n d

    e q u a t i o n s f o r d e s i g n i n g a n i n p u t l t e r t o r e d u c e i n p u t

    c u r r e n t d i d t a r e p r o v i d e d . A n i n d u c t o r c u r r e n t e s t i -

    m a t o r w h i c h p r o v i d e s h i g h e r e c i e n c y , g o o d t r a n s i e n t

    r e s p o n s e , a n d c u r r e n t l i m i t i n g , i s p r e s e n t e d . E x p e r -

    i m e n t a l r e s u l t s f o r a 5 . 0 V i n p u t , 3 . 1 V o u t p u t , 1 3 A

    D C - D C c o n v e r t e r a r e i n c l u d e d t o v e r i f y t h e t h e o r e t i -

    c a l i n f o r m a t i o n .

    1 I n t r o d u c t i o n

    M i c r o p r o c e s s o r s , s u c h a s t h e I n t e l P e n t i u m P r o , r e q u i r e l o w

    v o l t a g e a n d h i g h c u r r e n t o p e r a t i o n . T h e y a l s o h a v e s p e c i a l

    r e q u i r e m e n t s r e g a r d i n g D C v o l t a g e r e g u l a t i o n , o u t p u t v o l t a g e

    r i p p l e , l o a d c u r r e n t s l e w r a t e , m a x i m u m i n p u t c u r r e n t d i d t ,

    a n d e c i e n c y . I n t h e P e n t i u m P r o e x a m p l e 1 , o u t p u t v o l t -

    a g e s f r o m 2 . 4 t o 3 . 5 V d c w i t h D C l o a d c u r r e n t s u p t o 1 3 A

    a r e r e q u i r e d . T h e i n p u t v o l t a g e s a v a i l a b l e f o r t h e c o n v e r t e r

    a r e 1 2 V d c a n d 5 V d c . T h e p o w e r s u p p l y m u s t m a i n t a i n t h e

    r e g u l a t e d o u t p u t u n d e r l o a d c u r r e n t s l e w r a t e r e q u i r e m e n t s

    o f 3 0 A s , w h i l e t h e i n p u t c u r r e n t d i d t m u s t b e l e s s t h a n

    0 . 1 A s . T h e o u t p u t m u s t b e c u r r e n t l i m i t e d a n d o p e r a t e i n

    c o n s t a n t c u r r e n t m o d e f o r a s h o r t e d o u t p u t . T h e e c i e n c y

    m u s t b e g r e a t e r t h a n 8 0 a t h i g h c u r r e n t l o a d a n d g r e a t e r

    t h a n 4 0 a t l o w c u r r e n t l o a d . H i g h e r e c i e n c y i n a w i d e r a n g e

    o f l o a d s i s p a r t i c u l a r l y b e n e c i a l i n b a t t e r y - p o w e r e d s y s t e m s

    w i t h p o w e r m a n a g e m e n t .

    T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y t h e U n i v e r s i t y o f C o l o r a d o

    C e n t e r f o r A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g a n d P a c k a g i n g o f M i c r o w a v e ,

    O p t i c a l a n d D i g i t a l E l e c t r o n i c s C A M P m o d e .

    84

    85

    86

    87

    88

    89

    90

    91

    92

    93

    94

    95

    0.1 1 10 100

    Load current ILOAD [A]

    Efficiency[%]

    with current estimator

    with sense resistor

    F i g u r e 1 : E c i e n c y v s l o a d c u r r e n t i n t h e e x p e r i m e n t a l 3 1 V ,

    4 5 W c o n v e r t e r w i t h t h e c u r r e n t s e n s e r e s i s t o r a n d w i t h t h e c u r r e n t

    e s t i m a t o r c i r c u i t .

    B e c a u s e o f t h e h i g h l o a d c u r r e n t s l e w r a t e r e q u i r e m e n t s , a

    l a r g e b u l k c a p a c i t o r w i t h l o w e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c e i s

    r e q u i r e d a t t h e o u t p u t . T h i s m e a n s t h a t a l o w s w i t c h i n g f r e -

    q u e n c y c a n b e u s e d t o g e t h i g h e r e c i e n c y , s i n c e t h e l a r g e c a -

    p a c i t o r c a n s u p p o r t l a r g e o u t p u t i n d u c t o r r i p p l e c u r r e n t w i t h -

    o u t e x c e s s i v e p o w e r l o s s o r o u t p u t v o l t a g e r i p p l e . T h e r e f o r e a

    l o w e r s w i t c h i n g f r e q u e n c y c a n b e u s e d t o o p t i m i z e e c i e n c y

    a s l o n g a s t h e r e s p o n s e o f t h e c o n v e r t e r t o l o a d t r a n s i e n t s i s

    f a s t .

    T h i s p a p e r d i s c u s s e s d e s i g n o f a D C D C c o n v e r t e r t h a t c a n

    m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f l o w - v o l t a g e m i c r o p r o c e s s o r l o a d s .

    T h e c o n v e r t e r u s e s a s t a n d a r d b u c k t o p o l o g y w i t h a s y n -

    c h r o n o u s s w i t c h 3 , a n d t h e c o n t r o l m e t h o d d e s c r i b e d i n 2 .

    S e l e c t i o n o f i n p u t a n d o u t p u t l t e r c o m p o n e n t s t o m e e t t h e

    i n p u t c u r r e n t d i = d t a n d t r a n s i e n t r e s p o n s e r e q u i r e m e n t s a r e

    d e s c r i b e d . A l s o d i s c u s s e d i s a c i r c u i t f o r e s t i m a t i n g t h e c u r r e n t

    i n t h e o u t p u t l t e r i n d u c t o r w h i c h r e s u l t s i n h i g h e r e c i e n c y

    a n d g o o d t r a n s i e n t r e s p o n s e c o m p a r e d w i t h a c o n v e n t i o n a l r e -

    s i s t o r c u r r e n t s e n s e a p p r o a c h . T h e t h e o r e t i c a l i n f o r m a t i o n i s

    v e r i e d o n a n e x p e r i m e n t a l c i r c u i t c o n s t r u c t e d t o m e e t t h e

    P e n t i u m P r o e x a m p l e s p e c i c a t i o n s a n d w i t h m e a s u r e d e -

  • 7/28/2019 Dc98-DC-DC Converter With Fast Transient Response and High Efficiency

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    c i e n c y r e s u l t s s h o w n i n F i g . 1 .

    T h e p o w e r s t a g e u s e d i n e x p e r i m e n t a l v e r i c a t i o n i s d e -

    s c r i b e d i n S e c t i o n 2 . S e c t i o n 3 d e s c r i b e s t h e c o n t r o l m e t h o d

    a n d i t s i m p l e m e n t a t i o n . S e c t i o n 4 d i s c u s s e s o u t p u t t r a n s i e n t

    r e s p o n s e t o a f u l l l o a d c h a n g e . S e c t i o n 5 d i s c u s s e s t h e i n p u t

    l t e r u s e d t o r e d u c e i n p u t c u r r e n t d i d t . S e c t i o n 6 d e s c r i b e s

    a n i n d u c t o r c u r r e n t e s t i m a t o r u s e d t o r e d u c e p o w e r l o s s a n d

    s t i l l p r o v i d e a c u r r e n t l i m i t f u n c t i o n , a s r e q u i r e d i n 1 . R e -

    s u l t s o f e x p e r i m e n t a l v e r i c a t i o n a r e g i v e n i n S e c t i o n 7 o f t h e

    p a p e r , a n d c o n c l u s i o n s a r e i n S e c t i o n 8 .

    2 P o w e r S t a g e

    F i g . 2 s h o w s a s c h e m a t i c o f t h e e x p e r i m e n t a l 4 5 W b u c k c o n -

    v e r t e r w i t h s y n c h r o n o u s r e c t i e r . T h e p o w e r s t a g e c o n v e r t s

    a n i n p u t v o l t a g e , V

    I N

    , t o t h e d e s i r e d r e g u l a t e d o u t p u t v o l t a g e ,

    v

    O U T

    V

    I N

    i s 5 V d c , w h i l e v

    O U T

    i s r e g u l a t e d a t 3 . 1 V d c . T h e

    D C l o a d c u r r e n t i s i n t h e r a n g e 0 1 I

    L O A D

    1 3 A . T h e

    h i g h s i d e s w i t c h , Q

    H

    , i s c o n t r o l l e d b y c o n t r o l s i g n a l c

    H

    . T h e

    l o w s i d e s w i t c h , Q

    L

    , w h i c h i s t h e s y n c h r o n o u s r e c t i e r , i s c o n -

    t r o l l e d b y c o n t r o l s i g n a l c

    L

    . T h e i n d u c t o r c u r r e n t , i

    L

    , i s s e n s e d

    b y r e s i s t o r R

    s

    a n d a d i e r e n t i a l a m p l i e r t o p r o d u c e c o n t r o l

    s i g n a l v

    i

    p r o p o r t i o n a l t o t h e i n d u c t o r c u r r e n t . T h e d e s i r e d

    o u t p u t v o l t a g e i s s e t b y V

    R E F

    I n d u c t o r L i s m a d e b y w i n d i n g 4 t u r n s o f 1 8 A W G w i r e o n

    a P Q 2 0 1 6 c o r e , w i t h g a p s p a c i n g 0 . 2 5 0 m m b e t w e e n t h e c o r e

    h a l v e s . I n d u c t o r L

    i n

    i s m a d e b y w i n d i n g 2 t u r n s o f 1 8 A W G

    w i r e a n a P Q 2 0 1 6 c o r e , w i t h g a p s p a c i n g 0 . 0 5 0 m m b e t w e e n

    t h e c o r e h a l v e s . C a p a c i t o r C c o n s i s t s o f t w o 1 0 u F m u l t i l a y e r