A unified technique for start-up and seamless PFM/PWM transition in a time-based DC-DC boost converter

To maximize the efficiency both at heavy and light load, boost DC-DC converters typically implement a power-saving pulse-frequency modulation (PFM) mode. Switching from pulse-width modulation (PWM) to PFM control unfortunately often results in large output voltage transients, which are undesirable in many applications. Furthermore, while buck converters are inherently stable during start-up, boost converters might enter a latched-up state and thus require a dedicated start-up controller, which makes use of bulky components increasing the overall footprint. To overcome these issues, this thesis presents a new unified start-up and seamless PFM/PWM transition controller for time-based boost converters. The proposed solution presets the variables inside the PID control loop before the PFM to PWM transition takes place, resulting in the minimization of the lock-in transient of the PWM control loop and up to a 79.5% reduction of the output voltage variation during the transition. The exact same circuitry is reused for the converter start-up: the control manages to drive the powered-on converter close to its nominal steady-state before closing the loop. The proposed solution occupies an overall silicon area of 0.036mm^2 with a current consumption of only 70uA. Moreover, the control is turned off during the normal operation further reducing the power consumption.

Per massimizzare l’efficienza sia ad alti che a bassi carichi, i convertitori boost DC-DC tipicamente implementano una modalità di risparmio di potenza detta pulse-frequency modulation (PFM). Sfortunatamente la transizione dal controllo pulse-width modulation (PWM) a PFM spesso provoca importanti transitori alla tensione d’uscita, il che é indesiderabile in molte applicazioni pratiche. Oltretutto, mentre i convertitori buck sono inerentemente stabili durante l’accensione, i convertitori boost rischiano di entrare in uno stato di latch-up da cui non riescono ad uscire e necessitano dunque di un controllore dedicato allo start-up. Questo controllore spesso richiede l’uso di componenti ingombranti, che porta ad grande consumo di area. Per superare questi limiti, in questa tesi viene proposta una nuova soluzione unificata per il controllo del time-based boost converter sia durante lo start-up che la transizione PFM/PWM. La soluzione presentata preimposta le variabili all’interno dell’anello di controllo PID prima che la transizione abbia luogo. Si ottiene così la minimizzazione del transitorio di lock-in del controllo PWM ed una riduzione fino a 79.5% della variazione della tensione di uscita. Lo stesso circuito identico viene utilizzato anche per la fase di start-up: il controllo riesce a pilotare il convertitore appena acceso ad una condizione vicina al suo valore di regime prima di chiudere l’anello. La soluzione proposta occupa una area totale pari a 0.036mm^2 ed esibisce un consumo di corrente di soli 70uA. Inoltre questo controllo risulta essere spento durante il funzionamento normale del convertitore, riducendo ulteriormente il consumo di potenza.