Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время импульсные преобразователи напряжения (DC-DC конверторы) получили широкое распространение. Импульсные преобразователи напряжения составляют значительную долю мирового рынка электроники - более 8 миллиардов долларов ежегодно. Эта доля возрастает вместе с общим увеличением мирового рынка электроники. Популярность DC-DC конверторов обусловлена, прежде всего, их высокой эффективностью. Коэффициент полезного действия (КПД) простейшего импульсного преобразователя напряжения составляет не менее 80%.
Подавляющее большинство современных процессоров используется для создания вычислительной техники и систем управления с производительностью более 1 миллиарда операций в секунду. Рост быстродействия определяется уменьшением минимальных проектных норм технологии изготовления ИМС. В связи с этим уменьшается пробивное напряжение полупроводниковой структуры, и уменьшается максимально допустимое напряжение питания для таких устройств. Также наблюдается тенденция к постоянному усложнению функциональных узлов современных процессоров. Следовательно, неизбежен рост потребления энергии СБИС подобного класса. Таким образом, при проектировании современного источника питания существует проблема осуществления эффективного преобразования высокого напряжения в низкое напряжение с сохранением высокой нагрузочной способности DC-DC конвертора. Такой DC-DC конвертор находит широкое применение в современной вычислительной технике, например, в качестве источника питания микропроцессоров персональных компьютеров (ПК) и специализированных процессоров для встраиваемых систем.
По архитектуре построения DC-DC конверторы можно разделить на две группы. Первая группа - DC-DC конверторы с аналоговым способом управления. Вторая группа - DC-DC конверторы с цифровым способом управления. DC-DC конвертор с аналоговым способом управления является традиционным источником питания множества электронных приборов. Недостаток аналогового управления заключается в резком падении КПД при уменьшении выходного стабилизируемого напряжения и в уменьшении точности выходных параметров. DC-DC конвертор с цифровым способом управления получил распространение в последние годы с развитием цифровой техники. Преимущество цифрового способа управления состоит в
высокой помехоустойчивости, высокой точности выходных параметров и низкой чувствительности к изменениям параметров схемы. Недостатком систем питания на основе цифрового управления является их высокая стоимость по сравнению с аналоговыми системами питания. Например, DC-DC конвертор на основе аналоговой схемы управления стоит около 50 $, а цена прецизионного DC-DC конвертора с цифровым управлением составляет около 1000 $.
Существуют технические решения для построения DC-DC конверторов, которые позволяют получить требуемую точность выходных параметров, не увеличивая стоимость изделия. Одним из таких решений является использование принципа многофазовой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления импульсным преобразователем напряжения. В результате использования принципа многофазового управления достигается низкое стабилизированное напряжение (до 1,5 В) при этом КПД многофазовой системы составляет не менее 90%. DC-DC конвертор на основе принципа многофазовой ШИМ имеет аналоговую схему управления. Разработка такой ИМС управления позволит построить DC-DC конвертор, который может использоваться, как эффективный источник питания микропроцессоров ПК и специализированных процессоров для встраиваемых систем. В специальной литературе такой источник называется регулятором напряжения питания (РНП).
Современные технологии изготовления интегральных микросхем (ИМС) позволяют реализовать аналоговую схему управления РНП в одном кристалле. Это приводит к сокращению количества дискретных компонентов в составе DC-DC конвертора (РНП) и существенно уменьшает его габариты. Аналоговая ИМС управления РНП должна выполнять функции обеспечения обратной связи для стабилизации выходного напряжения и функции мониторинга для управления состоянием DC-DC конвертора (РНП).
Анализ существующих ИМС управления РНП показал, что совершенствование аналоговых систем возможно осуществлять следующими способами:
увеличением количества рабочих каналов РНП;
построением дополнительных контуров отрицательной обратной
связи;
увеличением частоты управления (модуляции);
улучшением характеристик внутренних аналоговых узлов ИМС
управления;
снижением потребляемой мощности ИМС управления.
Кроме того, изготовление ИМС управления в дешевом технологическом базисе снизит себестоимость РНП.
В литературе нет сведений о структуре современного DC-DC конвертора (РНП) на основе многофазовой ШИМ. Не уделяется достаточно внимания вопросам функционирования отрицательных обратных связей (ООС) в среде многофазовой ШИМ, модернизация структуры которых может существенно улучшить характеристики DC-DC конвертора. Недостаточно проработана методология проектирования ИМС управления РНП, начиная с синтеза структурной схемы и заканчивая экспериментальными исследованиями. Основываясь на стабилизирующих свойствах ООС, необходимо разработать улучшенную функциональную схему ИМС управления РНП для повышения ее технических характеристик по сравнению с существующими в мире аналогами.
Таким образом, создание методологии проектирования DC-DC конверторов (РНП) на основе многофазовой ШИМ, на базе которой будет разработана ИМС управления РНП с малой потребляемой мощностью и с увеличенной частотой модуляции, является актуальной научно-технической задачей.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии проектирования DC-DC конверторов (РНП) на основе многофазовой ШИМ и в проектировании маломощной ИМС управления РНП, которая должна обеспечивать:
-
Аналоговое управление регулятором напряжения питания на основе многофазовой ШИМ;
-
Частоту модуляции 1,5 МГц;
-
Управление регулятором напряжения питания с помощью четырех рабочих каналов;
-
Ток потребления не более 10 мА;
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Синтезировать функциональную схему ИМС управления РНП;
-
Оценить влияние элементов функциональной схемы на выходные характеристики РНП;
-
Выбрать технологию изготовления ИМС управления;
-
Разработать схемотехнические решения для реализации основных блоков и топологию ИМС;
-
Разработать типовую схему включения ИМС;
-
Экспериментально исследовать разработанную ИМС.
Научная новизна работы
-
Развита методология проектирования аналоговых ИМС управления РНП в среде многофазовой ШИМ, основанная на разработке математической модели и синтезе архитектуры функциональной схемы РНП.
-
Для получения выходного напряжения РНП, равного 1,5В и ниже, при выходном токе до 60А используется аналоговое управление четырьмя рабочими каналами многофазовой ШИМ с частотой модуляции, увеличенной до 1,5МГц.
-
В функциональную схему ИМС управления РНП введена отрицательная обратная связь по усредненному току рабочего канала, позволяющая задавать уровень выходного напряжения в зависимости от тока нагрузки таким образом, чтобы амплитуда пульсаций в момент переходного процесса не превышала границы допустимого диапазона.
Практическая значимость работы
В результате выполнения работы разработана ИМС управления модулем РНП на основе многофазовой широтно-импульсной модуляции.
Разработанная ИМС обеспечивает:
-
Аналоговое управление многофазовой ШИМ.
-
Управление четырьмя рабочими каналами преобразователя напряжения.
-
Частоту модуляции управляющего сигнала в пределах от 200КГц до 1,5МГц.
-
Отклонение выходных параметров РНП от номинальных значений не более 1%
Использование стандартного КМОП технологического процесса с минимальными проектными нормами 0,6 мкм для изготовления ИМС управления позволило обеспечить работоспособность ИМС в диапазоне температур от -40 С до 125 С.
Результаты экспериментальных исследований образцов ИМС управления подтвердили возможность и необходимость серийного производства разработанной ИМС.
Положения, выносимые на защиту
-
Предложенная методология проектирования аналоговых ИМС управления РНП в среде многофазовой ШИМ позволяет сократить время проектирования ИМС управления РНП от этапа синтеза функциональной схемы до этапа экспериментального исследования ИМС и улучшить совокупность параметров РНП.
-
Разработано аналоговое управление четырьмя рабочими
каналами многофазовой широтно-импульсной модуляцией с частотой коммутации 1.5 МГц, что позволило реализовать преобразование напряжение из 5В в 1,5В и ниже при выходном токе до 60А с КПД не менее 90% и обеспечить отклонение выходного напряжения не менее 1% от номинального значения.
3. Структурная схема ИМС управления регулятором напряжения
питания, содержащая отрицательную обратную связь по усредненному
току рабочего канала, в сочетании с известными обратными связями по
току и по напряжению позволяет уменьшить диапазон пульсаций выходного напряжения при резком изменении нагрузки.
4. КМОП технологический процесс, с возможностью формирования
пассивных элементов, является оптимальной технологией изготовления
ИМС управления РНП.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов работы обусловлена использованием общепринятых математических методов расчета электрических схем, использованием современных SPICE-моделей приборов для математического моделирования схемотехнических решений и удовлетворительной степенью совпадения результатов измерений экспериментальных образцов с результатами математического моделирования.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы были использованы при подготовке и реализации следующих проектов кафедры биомедицинских систем МИЭТ.
«Микроэлектронный программируемый генератор сильноточных импульсов», 2001-2002гг.
«Внешний дефибриллятор нового поколения с программируемой
формой электрического импульса». 2001-2002гг.
і «Система бесконтактного контроля сердечной деятельности
человека во время сна в условиях международной космической станции», 2003-2004гг.
«Малогабаритный внешне носимый электрический кардиовертер-дефибриллятор, средства контроля за сердечной деятельностью в чрезвычайных ситуациях», 2003-2004гг.
Также результаты работы были внедрены и использованы в ООО «Юник Айсиз» в рамках следующих проектов:
«Разработка микросхемы многофазового ШИМ-контроллера регулятора напряжения питания ядра микропроцессора - «Фаза»».
«Разработка микросхемы управления подсветкой
жидкокристаллического монитора - «Инвертор 1»»
«Разработка микросхемы управления подсветкой
жидкокристаллического монитора - «Инвертор 2»»
Апробация результатов работы Результаты работы докладывались и обсуждались на-
7 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2000», МИЭТ, Москва, 2000г.
8 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2001», МИЭТ, Москва, 2001 г
9 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002", МИЭТ, Москва, 2002г.
IV Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2002», МИЭТ 2002г.
10 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2003", МИЭТ, Москва, 2003 г
Научно-техническом совещании ОАО «НИИМЭ и Микрон», Москва, 2005 г.
Публикации По результатам работы опубликовано 4 статьи, 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, 6 приложений и списка литературы, включающего 109 наименований. Содержание работы изложено на 166 страницах машинописного текста, включая 66 рисунков и 11 таблиц к основному тексту.
