Linea di ritardo controllata in tensione con guadagno adattivo e feed-forward integrato per convertitori DC/DC con controllo time-based

DC-DC buck converters working in continuous conduction mode (CCM) are present in a wide spectrum of applications ranging from the IoT to the industrial sector. The conti- nuous conduction mode offers the best dynamic performance and therefore it is preferred, because it guarantees precise regulation even with large variations of operating point, such as output current transitions from a standby mode to a maximum demand. The most important characteristics of this device are the efficiency, the occupied area and the quiescent current, which is important in idle conditions (zero load current). The area occupation of a converter is generally dominated by external components, such as the in- ductor and the capacitance which create the output filter. The size of these elements can be reduced by increasing the switching frequency of the converter. It is difficult to increase the switching frequency in a traditional voltage mode control, because the loop is limited in terms of bandwidth by the GBWP product of the error amplifier. The time-based control represents a valid alternative, because it does not require big capacitors for ring compensation and explicit PWM generator because the signals are processed in the time domain. For this reason it is more efficient in terms of area if compared to a conventional voltage-mode. Two feed-forward paths have been added in order to improve the dynamic performance of the converter: the first feed-forward is necessary to maintain a constant control loop band of 300kHz. A second path was added to improve output transients for variations in the input voltage. Thanks to the proposed solutions, the variation of the band is reduced by a factor of ten and the output transients are reduced by a factor of eight.

I convertitori buck DC-DC che operano in modalità di conduzione continua (CCM) ri- sultano essere sempre più presenti in un ampio spettro di applicazioni che va dall’IoT all’ambito industriale. La modalità di conduzione continua offre le migliori performance dinamiche ed è pertanto preferita, in quanto garantisce una regolazione precisa anche du- rante grandi variazioni di condizioni operative, come ad esempio in condizioni di passaggio da uno stato di standby ad uno stato di massima richiesta di corrente da parte del cari- co. Le caratteristiche più importanti risultano quindi essere l’efficienza, l’area occupata e la corrente di quiescenza, la quale è importante in condizioni di idle (carico spento). L’occupazione d’area di un convertitore è generalmente dominata dai componenti esterni, quali induttore e capacità del filtro. Le dimensioni di tali elementi possono essere ridotte aumentando la frequenza di commutazione del convertitore. L’aumento della frequenza di commutazione risulta però difficoltoso, in quanto il controllo voltage mode tradizionale risulta limitato in termini di banda e consumo di corrente. Il controllo di tipo time-based rappresenta quindi una valida alternativa, poiché non necessita di ingrombranti capacità per la compensazione dell’anello, risulta più efficiente in termini di area e consumi ad alta frequenza se comparato ad un voltage-mode convenzionale e non necessita di un gene- ratore PWM esplicito in quanto i segnali vengono elaborati nel dominio del tempo. Per migliorare le prestazioni dinamiche del convertitore sono stati aggiunti due percorsi di feed-forward: il primo feed-forward è necessario per mantenere una banda dell’anello di controllo costante a 300kHz. Un secondo percorso è stato aggiunto per migliorare i tran- sitori a fronte delle variazioni della tensione di ingresso. Grazie alle soluzioni proposte si è ottenuta una riduzione della variazione della banda di un fattore dieci e una riduzione dei transitori di uscita a fronte di una variazione d’ingresso pari a otto volte.