Time-based controller for DCDC boost converter with right-half-plane zero mitigation

TIME-BASED controls in integrated wide-band DC/DC buck converters for smart power applications have been proven to reduce area occupation and power consumption of the controller with respect to the standard voltage-mode signal processing since they operate with digital signals. The time-based approach applied to a boost converter only gives limited advantages since, the latter, suffers from an inherently right-half- plane zero in the control loop that limits the maximum achievable bandwidth. The aim of this project is to develop a novel time-based controller architecture for boost DCDC converter that can increase the maximum achievable bandwidth, eliminating the right-half-plane zero in the control loop, thus fully exploiting the advantages given by the time-based architecture. A time-based boost converter for LED display applications is presented. The controller combines the converter output voltage with the inductor current to eliminate the RHP zero and improve the dynamic performance without any extra power switches or external capacitors. The steady-state regulation error generated by this technique is mitigated by injecting a scaled version of the load current into the loop. The efficiency at light-loads is increased thanks to a PFM operating mode with a steady-state error correction and seamless PFM-to-CCM transition. The prototype boost converter implemented in a 0.18μm BCD process generates an output voltage of 5V when powered by a Li-ion battery providing an input voltage varying from 2.5V to 4.5V. The converter peak efficiency is 96% for an input voltage of 4.5V and above 90% at light-loads up to 10mA. The proposed time-based controller shows a quiescent current of 300μA when operating in CCM and an area occupation of 0.27mm2, with 0.12mm2, 0.04mm2, and 0.11mm2 being the occupation of the compensator, inductor current sensor, and load current sensor, respectively. The prototype converter shows an increase in the converter bandwidth of about a factor 5 with respect to a standard compensation limited by the RHP zero while reducing the worst-case static error from 120mV to 10mV, thanks to the addition of the novel static error correction.

L'utilizzo di controllori di tipo time-based per convertitori DC/DC di tipo buck a larga banda per applicazioni smart power, permette di ottenere un minor consumo e una minor occupazione di area se paragonato al classico controllo di tensione, in quanto opera con segnali puramente digitali. L’applicazione dell’approccio time-based in convertitori di tipo boost non è in grado di fornire gli stessi vantaggi in quanto la presenza di uno zero destro nell’anello di controllo, ne limita la massima banda ottenibile. Lo scopo di questo progetto è sviluppare una nuova architettura di controllo time-based per convertitori di tipo boost che permetta di massimizzare la banda grazie all’eliminazione dello zero destro, così da poter sfruttare appieno tutti i vantaggi legati all’architettura time-based. Come caso pratico è stato selezionato un convertitore boost di tipo time-based per applicazioni AMOLED. Il controllore combina la tensione di uscita del convertitore con la corrente dell’induttore per eliminare lo zero destro e migliorare le performance dinamiche de sistema senza introdurre MOS di potenza o capacità di filtro addizionali. L’errore di regolazione generato da questa tecnica è mitigato grazie all’iniezione nell’anello di controllo di una versione scalata della corrente di carico. L’efficienza a basso carico è migliorata grazie all’utilizzo di un controllo di tipo PFM con correzione dell’errore statico di regolazione e ottimizzazione della transizione da PFM a CCM. Il convertitore boost prototipo è implementato in un processo di tipo BCD con CMOS da lunghezza minima di canale di 0.18μm. Tale convertitore fornisce una tensione in uscita di 5V quando alimentato da una batteria agli ioni di litio che fornisce una tensione in ingresso variabile fra 2.5V a 4.5V. Il convertitore presenta un’efficienza di picco del 96%, misurata per una tensione di ingresso di 4.5V, e mantiene un’efficienza superiore al 90% fino a correnti di carico di 10mA. Il controllore proposto mostra una corrente di quiescenza di 300μA quando opera in CCM, con un’occupazione di area totale di 0.27mm2; di cui 0.12mm2, 0.04mm2, e 0.11mm2 dovuti al compensatore, al sensore di corrente di induttore e al sensore di corrente di carico, rispettivamente. Il prototipo mostra un aumento della banda di un fattore cinque rispetto a un controllo in tensione limitato dalla presenza dello zero destro. Grazie all’aggiunta della nuova tecnica di correzione dell’errore statico, l’errore di regolazione nel caso peggiore è ridotto da 120mV a 10mV.