Fully-digital feedforward compensation for RHP zero elimination in boost converter operating in CCM

DC-DC boost converters operating in CCM show a Right-Half-Plane zero (RHP) in their control-to-output transfer function. The presence of this singularity results in a limitation of the control loop bandwidth due to the negative phase shift of 90° introduced by the RHP zero, which cannot be compensated. The loop crossover frequency is tipically limited around 1/5 of the RHP zero frequency. In order to overcome this limitation and obtain wide bandwidth converters, this thesis propose a novel solution based on the addition of a Feedforward path between the control voltage and the converter's output. The new control-to-output transfer function no longer contains the right-half-plane zero, but simply a pole and two left-half-plane zeros, which can be adopted for the loop comprensation. The proposed solution is applied to a digitally-controlled boost converter implemented in an existing BCD technology. Compared to a standard design, the suggested solution improves the settling time in the step response and the overshoots in the output voltage by a factor 5 and 10 respectively. Thanks to the digital implementation, the overall silicon area occupation is only 0.235mm2 and the current consumption is about 214µA.

I convertitori boost DC-DC che operano in modalità di conduzione continua presentano uno zero destro nella loro funzione di trasferimento controllo-uscita. La presenza di tale singolarità comporta una limitazione nella banda dell'anello di controllo dovuta allo sfasamento negativo di 90° introdotto dallo zero, che non può essere compensato. La frequenza di taglio della funzione di trasferimento d'anello viene limitata tipicamente a circa 1/5 della frequenza dello zero destro. Per superare tale limitazione e realizzare convertitori boost a banda più elevata, questa tesi propone una nuova soluzione basata sull'inserimento di un percorso addizionale (cosiddetto di Feedforward) tra la tensione di controllo e l'uscita del convertitore. La funzione di trasferimento controllo-uscita risultante non ha più lo zero destro ma semplicemente un polo e due zeri nel semipiano sinistro, i quali possono essere utilizzati per la compensazione dell'anello. La soluzione proposta è implementata in un convertitore boost a controllo digitale in tecnologia BCD. Tale soluzione migliora di 5 volte il tempo di assestamento nella risposta al gradino, e di 10 volte le sovra-elongazioni nella tensione di uscita rispetto ad un progetto tradizionale. Grazie all'uso di un controllore digitale, l'area totale di silicio è di soli 0.235mm2 e il consumo di corrente pari a circa 214µA.