CMOS Integrated Switching Power Converters

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Contents
1    Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      1
1.1   Motivation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      1
1.2   Technological Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      4
1.3   Thesis Outline  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      6
2    The Design Space Exploration: Simplified Case  . . . . . . . . . . . . . . . . . .      9
2.1   Main Concepts and Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      9
2.2   Simplified Approach for a Buck Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    15
2.2.1    Continuous and Discontinuous Conduction Modes . . . . . . .    15
2.2.2    Converter Components Simplified Models . . . . . . . . . . . . . .    16
2.2.3    Output Voltage Ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    28
2.2.4    Design Space Exploration Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    33
3    Contributions on Converter Integrated Components
and Detailed Models   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    47
3.1   Bonding Wire Inductor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    47
3.1.1    State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    47
3.1.2    Proposed Integrated Inductor Implementation . . . . . . . . . . .    49
3.2   MOS Capacitor Model  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    61
3.2.1    State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    61
3.2.2    Proposed MOS Capacitor Design Procedure . . . . . . . . . . . .    63
3.2.3    Comparison with Poly-Poly and Metal-Metal Capacitors . .    80
3.3   Tapered Buffer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    82
3.3.1    State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    82
3.3.2    Proposed Energy Consumption Model . . . . . . . . . . . . . . . . .    83
3.3.3    Proposed Fall-Rise Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    87
3.3.4    Optimized Design of Tapered Buffer Driving a Power
MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    89
3.3.5    Propagation Delay td Constraint in the Driver Design . . . . .    93
3.3.6    Area Occupancy Considerations  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    95
3.4   Power MOSFET Losses Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    96
3.4.1    State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    96
xiiixiv Contents
3.4.2    Switching Losses Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    98
3.4.3    Conduction Losses Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  113
3.4.4    Area Occupancy Considerations  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  115
3.4.5    Power MOSFETs and Drivers Codesign Procedure . . . . . . .  115
4    Buck Converter Design Space Exploration with Detailed
Component Models  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121
5    3-Level Buck Converter Analysis and Specific Components Models .  133
5.1   Motivation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  133
5.2   Ideal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  136
5.2.1    Basic Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  137
5.2.2    3-Level Buck Converter Analytical Expressions . . . . . . . . .  139
5.2.3    3-Level and Classical Buck Converters Comparison . . . . . .  155
5.3   Self-Driving Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  160
5.4   Specific Components Models and Implementation . . . . . . . . . . . . . .  164
5.4.1    Cx Capacitor Implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  164
5.4.2    Power MOSFET Energy Losses Evaluation . . . . . . . . . . . . .  165
6    3-Level Buck Converter Design Space Exploration Results   . . . . . . . .  171
6.1   Design Space Exploration Results for the Io = 100 mA Case . . . . .  171
6.2   Design Space Exploration Results for a Io Wide Range . . . . . . . . . .  184
6.3   The Selected Design to be Implemented . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  190
7    3-Level Buck Converter Microelectronic Implementation   . . . . . . . . .  197
7.1   Secondary Control Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  197
7.1.1    Variable Duty-Cycle Generation of the Switching Signal . .  201
7.1.2    P1, P2 and s Signals Generation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  202
7.1.3    dnN1 and dnN2 Signals Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  204
7.1.4    iL = 0 Condition Feedback Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  214
7.1.5    Dead-Time (tBD) Adjustment Feedback Loop . . . . . . . . . . .  224
7.1.6    Inductor Short-Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  234
7.1.7    Overall Layout Design of the Secondary Control Loop  . . .  237
7.2   Power Plant Implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  238
7.2.1    Co Capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  239
7.2.2    Cx Capacitor  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  239
7.2.3    Inductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  240
7.2.4    Power Drivers Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  240
7.2.5    Power Transistors Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  244
7.2.6    Overall Layout Design of the Power Plant . . . . . . . . . . . . . .  246
7.3   Complete Converter Design and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  247Contents xv
8    Conclusions and Future Research Lines  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  257
8.1   Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  257
8.2   Future Research Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  265
A    Equilateral Triangular Spiral Inductor Detailed Calculations  . . . . . .  269
A.1  Self-Inductance of a Triangular-Shaped Single Inductor . . . . . . . . . .  269
A.1.1    Application of the Biot-Savart Theorem to Calculate
the Magnetic Flux Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   269
A.1.2    Magnetic Flux Density Integration Throughout Half
of the Triangle Area  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   270
A.1.3   Self-Inductance Obtention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  272
A.2  Self-Inductance of the Whole Triangular Shaped Spiral . . . . . . . . . .  273
B    On Power Losses Related to the Capacitor Charging Process
from a Constant Voltage Source  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  277
C    Proportional Switching Frequency Modulation Towards Power
Efficiency Optimization for DCM Operated Converters  . . . . . . . . . . .  281
C.1   Switching Frequency Modulation for a Buck Converter . . . . . . . . . .  281
C.2   Extension to the 3-Level Converter Case  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  283
C.3   Output Voltage Hysteretic Control as an Approach to the Linear
Modulation of the Switching Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   284
C.3.1    Application to an Ideal Classical Buck Converter . . . . . . . .  284
C.3.2    Effect of the Output Capacitor ESR Upon the Switching
Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   286
C.3.3    Optimum Switching Frequency Modulation vs. Output
Voltage Hysteretic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   287
C.3.4    Energy Efficiency Comparison Between Hysteretic
Control and Optimized Linear Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   289
C.3.5   Output Voltage Ripple Produced by the Hysteretic Control
Application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   290
C.3.6    Effect of the Feedback Loop Delay Upon the Switching
Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   294

xuleiwx

下载看看。

hi_china59

someone post it before u
http://bbs.eetop.cn/viewthread.p ... ching%2BPower%2B%2B

wind2000sp3

这个不能下载，破损文件打不开！

hw9601

Thanks a lot for the sharing!!

philhuang

thanks for sharing

gouleb1

merci pour le partage

xuleiwx

这个打不开。

jialiangleo1

打不开

zixin1hao

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