Development of advanced architectures of power controllers dedicated to Ultra High Switching Frequency DC to DC converters

par Adnan Fares

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et microélectroniques

Sous la direction de Guy Cathébras.

  • Titre traduit

    Développement d’architectures avancées de contrôleurs de puissance dédiées aux convertisseurs DCDC à ultra-haute fréquence de découpage


  • Résumé

    La sophistication grandissante des dispositifs intelligents ultra-portatifs, tels que les smartphones ou les tablettes,crée un besoin d'amélioration des performances des organes de conversion de puissance.La tendance des technologies d'acheminement de puissance évolue progressivement vers une fréquence plus élevée, une meilleure densité d'intégration et une plus grande flexibilité dans les schémas d'asservissement. La modulation dynamique de tension est utilisée dans les circuits intégrés de gestion de puissances(DVS PMICs)des transmetteurs RF alors que la modulation DVFS est utilisée dans les PMICs dédiées au CPUs et GPUs. Des DCDC flexibles et fonctionnant à haute fréquence constituent aujourd'hui la solution principale en conjonction avec des régulateurs à faible marge de tension (LDO).L'évolution vers des solutions à base de HFDCDC de faibles dimensions pose un défi sérieux en matière de 1)stabilité des boucles d'asservissement,2)de complexité des architectures de contrôle imbriquant des machines d'état asynchrones pour gérer une large dynamique de puissance de sortie et 3)de portabilité de la solutions d'une technologie à une autre.Les solutions les plus courantes atteignent aujourd'hui une gamme de 2 à 6 Mhz de fréquence de découpage grâce à l'usage de contrôleurs à hystérésis qui souffrent de la difficulté à contenir la fréquence de découpage lors des variations de la tension ou du courant en charge.Nous avons voulu dans ce travail étendre l'usage des méthodes de conception et de modélisation conventionnelles comme le modèle petit signal moyen, dans une perspective de simplification et de création de modèles paramétriques. L'objectif étant de rendre la technique de compensation flexible et robuste aux variations de procédés de fabrication ou bien aux signaux parasités inhérents à la commutation de puissance.Certes, le modèle moyen petit signal, au demeurant bien traité dans la littérature, réponds amplement à la problématique de compensation des DCDCs notamment quand la stabilité s'appuie sur le zéro naturel à haute fréquence inhérent à la résistance série ESR de la capacité de sortie, mais les HFDCDC actuels utilisent des capacités MLCC ayant une très faible ESR et font appel à des techniques de compensation paramétriques imbriquant le schéma de compensation dans la génération même du rapport cyclique. La littérature existante sur le fonctionnement de la machine d'état, se contente d'une description simpliste de convertisseurs PWM/PFM mais ne donne que très peu d'éléments sur la gestion des opérations synchrones/asynchrones alternant PWM,PFM,écrêtage de courant, démarrage ou détection de défaillance. Dans ce travail, notre études est axée sur les deux aspects suivants:1)La modélisation paramétrique et la compensation de la boucle d'asservissement de HFDCDC et 2)la portabilité de la conception de la machine d'états du contrôleur notamment lorsqu'elle intègre des transitions complexes entre les modes.Dans la première section, nous avons développé un modèle petit signal moyen d'un convertisseur Buck asservi en mode courant-tension et nous l'avons analysé pour faire apparaitre les contributions proportionnelle, intégrale et dérivé dans la boucle. Nous avons démontré la possibilité d'utiliser le retour en courant pour assurer l'amortissement nécessaire et la stabilité de la boucle pour une large dynamique de variations des conditions de charge.Dans la seconde section, nous avons développé une architecture de machine d'états sophistiquée basé sur la méthode d'Huffman avec un effort substantiel d'abstraction que nous a permis de la concevoir en description RTL pour une gestion fiable du fonctionnement asynchrone et temps réel.Notre contribution théorique a fait l'objet d'une réalisation d'un PMIC de test comportant deux convertisseurs Buck cadencés à 12MHz en technologie BiCMOS 0.5um/0.18um. Les performances clefs obtenues sont:une surtension de 50mV pendant 2us suite à l'application d'un échelon de courant de 300mA.


  • Résumé

    The continuous sophistication of smart handheld devices such as smartphones and tablets creates an incremental need for improving the performances of the power conversion devices. The trend in power delivery migrates progressively to higher frequency, higher density of integration and flexibility of the control scheme. Dynamic Voltage Scaling Power Management ICs (DVS PMIC) are now systematically used for powering RF Transmitters and DVFS PMICS using Voltage and Frequency scaling are used for CPUs and GPUs. Flexible High frequency (HF) DC/DC converters in conjunction with low dropout LDOs constitute the main solution largely employed for such purposes. The migration toward high frequency/small size DCDC solutions creates serious challenges which are: 1) the stability of the feedback loop across a wide range of loading voltage and current conditions 2) The complexity of the control and often-non-synchronous state machine managing ultra large dynamics and bridging low power and high power operating modes, 3) The portability of the proposed solution across technology processes.The main stream solutions have so far reached the range of 2 to 6 MHz operation by employing systematically sliding mode or hysteretic converters that suffer from their variable operating frequency which creates EMI interferences and lead to integration problems relative to on-chip cross-talk between converters.In this work we aim at extend the use of traditional design and modeling techniques of power converters especially the average modeling technique by putting a particular care on the simplification of the theory and adjunction of flexible compensation techniques that don't require external components and that are less sensitive to process spread, or to high frequency substrate and supply noise conditions.The Small Signal Average Models, widely treated in the existing literature, might address most needs for system modeling and external compensation snubber design, especially when aiming on the high frequency natural zero of the output capacitor. However, HFDCDC converters today use small size MLCC capacitors with a very low ESR which require using alternative techniques mixing the compensation scheme with the duty cycle generation itself. The literature often provides a simplistic state machine description such as PWM/PFM operations but doesn't cover combined architectures of synchronous / non synchronous mode operations such as PWM, PFM, Current Limit, Boundary Clamp, Start, Transitional and finally Fault or Protection modes.In our work, we have focused our study on two main axes: 1) The parametric modeling and the loop compensation of HFDCDC and 2) the scalability of the control state machine and mode inter-operation. In the first part, we provided a detailed small signal averaged model of the “voltage and current mode buck converter” and we depicted it to emphasize and optimize the contributions of the Proportional, Integral and Derivative feedback loops. We demonstrated the ability to use the current feedback to damp and stabilize the converter with a wide variety of loading conditions (resistive or capacitive). In the second part, we provided architecture of the mode control state machine with different modes like the PWM, PFM, soft-start, current limit,… .The technique we have used is inspired by Huffman machine with a significant effort to make it abstract and scalable. The state machine is implemented using RTL coding based on a generic and scalable approach.The theoretical effort has been implemented inside a real PMIC test-chip carrying two 12MHz buck converters, each employing a voltage and current mode feedback loop. The chip has been realized in a 0.5um / 0.18um BiCMOS technology and tested through a dedicate Silicon validation platform able to test the analog, digital and power sections. The key performance obtained is a 50mV load transient undershoot / overshoot during 2us following a load step of 300mA (slope 0.3A/ns).

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