发一篇经典的A Design Methodology for Switched-Capacitor DC-DC Converters

northfish · 发表于 2014-1-16 06:09:58

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伯克利的一篇博士论文。
Contents
Contents i
List of Figures v
List of Tables viii
Acknowledgments ix
1 Introduction 1
1.1 Switched-Capacitor Converters in Industry and
Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Switched-Capacitor Converter Structure and Terminology . . . . . . . . . . 2
1.3 Pre-existing Switched-Capacitor Converter Analysis . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Developments in This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Fundamental Analysis of Switched-Capacitor Converters 10
2.1 Slow-Switching Limit Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Extension to Non-Linear Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Fast-Switching Limit Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Calculating Total Output Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Model Simplication for Two-Phase Converters . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Modeling Other Converter Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.1 Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 Current-Source Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.3 Inductive Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Optimization of Switched-Capacitor Converters 31
3.1 Device Cost Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Component Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Capacitor Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Switch Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 Optimizing Using Other Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 System-Level Converter Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.1 Converter Loss Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 Numerical Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Comparing Switched-Capacitor Topologies 48
4.1 Converter Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Analysis of SC Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Ladder Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.2 Dickson Charge Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Fibonacci Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4 Series-Parallel Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.5 Doubler Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 Comparison of SC Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Symmetrical Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Comparison with Magnetics-Based Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.1 Switch Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2 Reactive Element Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5 Fundamental Performance Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.1 SSL Converter Metric Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.2 FSL Converter Metric Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 Regulation of Switched-Capacitor Converters 81
5.1 Output Ripple of Multiphase Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Hysteretic Feedback Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3 System Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4 A Multi-Ratio Converter for Portable Electronics . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.1 Topology Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.2 Control Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 High-Voltage Converters for Airborne Robotics 102
6.1 Comparison of Topologies for Lightweight High-Voltage DC-DC Converters 103
6.1.1 Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.2 Flyback Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.1.3 Hybrid Switched-Capacitor Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2 MicroGlider Power Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7 Switched-Capacitor Converters for Wireless Sensor Nodes 119
7.1 Application and IC Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2 Converter Architecture and Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.3 Gate Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Synchronous Rectier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.4.1 Impedance matching AC energy harvesters with diode rectiers . . . 132
7.5 Ultra-Low-Power Analog Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.6 System Eciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8 Switched-Capacitor Converters for Microprocessors 142
8.1 Power Density vs. Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.2 Converter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2.1 Dynamic Voltage Scaling Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.2.2 Cell design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.3 Eciency Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.3.1 Resonant Gate Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.3.2 Drain Charge Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3.3 Reducing Bottom-Plate Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9 Conclusions 161
A Network-Theory-Based Analysis for Switched-Capacitor Converters 164
A.1 Summary of Circuit Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
A.2 Modeling Switched-Capacitor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
A.2.1 Finding the Conversion Ratio and Component Voltages . . . . . . . 168
A.2.2 Determining the Charge Multiplier Vector . . . . . . . . . . . . . . . 170
A.3 Criteria for Properly-Posed SC Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.4 Converter Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.4.1 Preparing the System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.4.2 Single-Phase Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.4.3 Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.4 Dynamics Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
B MATLAB Package for Switched-Capacitor Converter Design 190
B.1 Core Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.2 Visualization Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
B.3 Helper Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
B.4 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
B.5 Code Listings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
B.5.1 evaluate loss.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
B.5.2 generate topology.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
B.5.3 implement topology.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
B.5.4 optimize loss.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
B.5.5 permute topologies.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
B.5.6 plot opt contour.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
B.5.7 plot regulation.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
B.5.8 techlib.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Bibliography 225
Index 231

EECS-2009-78.pdf (2.38 MB, 下载次数: 290 )

markhorrow · 发表于 2014-1-16 10:36:03

非常感谢提供！

terminats · 发表于 2015-10-8 11:14:02

非常非常感谢啊！

chriszbx · 发表于 2016-6-9 09:56:48

thanks a lot!

houluhui0724 · 发表于 2016-6-9 12:22:49

谢谢分享！

vlsinaresh · 发表于 2016-6-17 02:10:30

fsfsdfsdfdsfdsfsdfsdf

fwutsairlin · 发表于 2016-6-18 08:54:10

THANK YOU

lijiquan · 发表于 2016-6-18 10:24:22

非常好的资料

sgdyjsl · 发表于 2017-5-31 15:51:01

RE: 发一篇经典的A Design Methodology for Switched-Capacitor DC-DC Converters

iceplanet · 发表于 2017-7-19 11:58:12

好东西

[原创] 发一篇经典的A Design Methodology for Switched-Capacitor DC-DC Converters

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