Adaptive gain VCO for constant bandwidth control in Buck converters with time-based compensator

DC-DC buck converters operating in CCM can be run at high switching frequencies to reduce the size of the LC filter. Analog, digital and hysteretic controllers show intrinsic constraints which increases design complexity when employed for these applications. On the contrary, time-based control techniques are well suited for converters operated at high frequencies. A time based compensator merges advantages of conventional architectures without being affected by their limitations. High analog-like performances are ensured at a speed of a digital-like controller, without introducing quantization errors. The DC gain of a buck control-to-output transfer function is directly proportional to the converter input voltage. This dependence adversely affects the control loop bandwidth. To overcome this drawback, the addition of a feedforward path is proposed, which actively adapts the compensator gain to the buck input voltage. The additional path results in a control-to-output transfer that is independent on the input voltage, thus achieving a fixed crossover frequency in all working conditions. The suggested solution improved by a factor 10 the control loop bandwidth when applied to the full input voltage range of the buck described in this thesis. The drop of the conversion efficiency at low currents loads, where switching losses are dominating over conduction losses, is the main drawback of employing high switching frequencies to drive DC-DC converters. To maintain high efficiency even at low load currents, it has been proposed a control strategy which scales the switching frequency and forces the converter in DCM regime. Simulation of the proposed solution has shown an improvement on the conversion efficiency by a factor of +40% at loads current of 500mA.

Alte frequenze di switching possono essere usate per comandare i convertitori buck DC-DC che operano in modalità di conduzione continua. In questo modo possono essere ridotte le dimensioni del filtro LC del convertitore. Il design di controllori analogici, digitali o isteretici ad alte frequenze di switching risulta complicato dalle limitazioni intrinseche che caratterizzano queste tipologie di controllo. Al contrario, è stato dimostrato che i compensatori time-based sono adatti per questo tipo di applicazioni. I compensatori time-based difatti uniscono i vantaggi dei design tradizionali senza essere affetti dai loro svantaggi, offrendo alte prestazioni tipiche dei compensatori analogici unite alle alte velocità tipiche del controllo digitale, senza introdurre alcun errore di quantizzazione. Il guadagno DC della funzione di trasferimento dal controllo all'uscita di un buck è direttamente proporzionale alla tensione di ingresso del convertitore stesso. In questo modo, la banda dell'anello di controllo è condizionata dalla tensione di ingresso. Questa tesi propone l'aggiunta di un percorso addizionale (feedforward) che, adattando attivamente il guadagno del compensatore alla tensione di ingresso, risolve la dipendenza dell'anello di controllo dalla tensione di ingresso. Le simulazioni della soluzione proposta, applicata al range di tensioni di ingresso del progetto preso in esame, hanno evidenziato un miglioramento di un fattore 10 della banda dell'anello di controllo. Lo svantaggio che caratterizza i convertitori comandati con alte frequenze di switching è una bassa efficienza a piccole correnti di carico, dove le perdite di potenza associate alle attività di switching dominano le perdite dovute alla conduzione di corrente. Per mantenere una efficienza alta su tutto il range di corrente di uscita, questa tesi propone una strategia di controllo che scala la frequenza di switching a basse correnti di carico e forza il convertitore buck a operare in regime DCM. Simulazioni del sistema proposto hanno evidenziato un aumento dell'efficienza di circa 40% per una corrente di carico pari a 500mA.