- THIẾT KẾ IC NGUỒN DỰA TRấN CễNG NGHỆ CMOS Hà Nội - 2009 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ng−ời h−ớng dẫn KHOA HỌC: TS NGUYỄN VŨ THẮNGNGUYỄN HOÀNG LONG Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 1MỤC LỤC MỤC LỤC. - 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ . - Cỏc mạch điện cơ bản dựng trong thiết kế . - Cỏc phương phỏp bự CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC . - Giới thiệu Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 23.2. - Thiết kế và tớnh toỏn Buck . - Kết quả mụ phỏng và đặc tớnh của BUCK trong IC ACT Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 3KẾT LUẬN. - Với mong muốn tỡm tũi và học hỏi về kỹ thuật điện tử tương tự và thiết kế IC tương tự nờn em đó chọn đề tài luận văn tốt nghiệp của mỡnh là: "Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS". - Đồ ỏn tốt nghiệp gồm ba chương: Chương một là tổng quan về cụng nghệ CMOS và cỏc mạch điện cơ bản dựng trong thiết kế. - Chương hai là cỏc vấn đề Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 8ổn định. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 9CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ 1.1. - Ban đầu, cơ sở để thiết kế mạch tương tự dựa trờn cụng nghệ Bipolar. - Hỡnh 1.1 Biểu đồ mụ tả quan hệ giữa năng lượng cung cấp và khả năng tớch hợp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 10Biểu đồ trờn thể hiện sự phỏt triển khả năng tớch hợp và năng lượng cung cấp cũng ngày càng được giảm nhỏ đi. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 11Theo bảng trờn ta đưa ra kết luận: Với cỏc mạch điện dựng cung cấp nguồn chỳng ta cú thể sử dụng BIPOLAR, với cỏc mạch cần chớnh xỏc chỳng ta sử dụng MOSFET. - Ngược lại, bibolar transistors cú nhiều ưu điểm trong mạch tớch hợp tương tự độc lập như là hỗ dẫn trờn cựng một dũng phõn cực lớn hơn nhiều so với MOS CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 12transistors. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 13 Hỡnh1.3 Ký hiệu transistor MOS Hỡnh 1.4 Phõn cực cho transistor MOS khi VGS = 0 Khi đế (substrate), cực nguồn (S), cực mỏng (D) nối đất và đặt một điện ỏp dương vào cực cửa (gate). - VT) Điện trở kờnh trờn một đơn vị chiều dài dy là: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 16dR = WydyQIn)(à Trong đú àn là độ linh động của điện tử trong kờnh. - Hỡnh 1.6 Cấu trỳc kờnh ở trạng thỏi pinch-off Khi giỏ trị của VDS tăng, kờnh dẫn sẽ bị thu hẹp ở phớa nguồn (hỡnh 1.6) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 17Theo cụng thức trờn ta thấy khi VDS = VDG + VGS thỡ QI(y. - Giả sử Transistor được mắc theo hỡnh vẽ sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 19 Hỡnh 1.8 Sơ đồ phõn cực cho transistor MOS Một tớn hiệu nhỏ Vi được mắc nối tiếp với VGS sẽ sinh ra một biến đổi nhỏ với dũng ID là id tổng dũng bõy giờ là: Id = ID + id. - Cgs = 32WLCox, Cgd = 0 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 21Tần số cắt của MOS là: fT = CCCggdgbgsm++∏21 Với ωT được suy ra từ hàm truyền đạt trong mụ hỡnh tớn hiệu nhỏ CCCggdgbgsmT++==ωω 1.2.2. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 22Đặc điểm: Rin Rout Hệ số khuyếch đại điện ỏp Tầng CS ∞ RD//r0 Gm*(RD//r0) Tầng CG 1/Gm RD//r0 Gm*(RD//r0) Tầng CD. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 231.2.2.3. - Vỡ vậy mặc dự lấy đầu ra tại một điểm (mạch vi sai bỡnh thường lấy tại 2 điểm) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 24nhưng Gm của mạch khụng giảm so với mạch vi sai bỡnh thường và nú cũng chớnh bằng gm2 = gm1. - Khi này ta thấy đầu ra CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 25của gương dũng được điều khiển bởi dũng điện đầu vào, khi đầu vào là khụng đổi thỡ đầu ra sẽ là một nguồn dũng. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 26 4. - Vin = Vgs1 = Vt1 + Vov1 Voutmin = Vov2 (Khi M2 ở ngưỡng triot) Điện trở ra (RO) RO = r0 (điện trở ra của mos M2) Hỡnh 1.14 Cấu trỳc gương dũng đơn giản CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 27Dũng IOUT: IOUT VVVILWLWADSDSIN−+ Trường hợp lớ tưởng VA. - M4 cũng giỳp phõn cực đảm bảo cho ỏp Vds1 =Vds2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 28nếu kớch thước cỏc mos bằng nhau làm giảm tỏc dụng của điện ỏp VA tới gương dũng. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 29 Nguyờn tắc chung: tạo ra điện ỏp tham chiếu từ hai nguồn điện ỏp cú hệ số nhiệt độ trỏi dấu, phải thiết kế hệ số nhõn trước mỗi nguồn sao cho sự biến thiờn theo nhiệt độ của hai nguồn sẽ khử lẫn nhau. - IIVST1ln Với VT = kT/q IS = QnBiDnqA−2 = −DnBni2=à−TnBi2'n CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 30 à−n = CT-n ni2 = DT3exp(VVTG0. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 31Tại T0: VOUTT=T0 = VG0 + VT0)(αγ− Do Vt nhỏ điện ỏp này khỏ gần giỏ trị của VG0 là điện ỏp Bangap nờn người ta gọi đõy là điện ỏp tham chiếu BanGap. - Mạch Bandgap sử dụng trong cụng nghệ CMOS Mạch điện tạo ra điện ỏp Referent sử dụng nguyờn lý Bandgap cú dạng như hỡnh 1.18 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 32Thụng thường cỏc bộ opamp trong cụng nghệ CMOS cú offset lớn do vậy phải kể đến VOS. - Trong thực tế hệ số nhiệt của điện ỏp đầu ra phụ thuộc rất CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 33nhiều vào điện ỏp offset. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 34Vậy VOUT = VBE + xVTlnn. - Đõy là điểm nguồn dũng chưa thực sự hoạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 35động. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ CMOS VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN DÙNG TRONG THIẾT KẾ Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 36Một vớ dụ của mạch tự phõn cực sẽ được trỡnh bày trong phần tạo điện ỏp tham chiếu 3.9.3.2. - CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 37CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH 2.1. - Hỡnh 2.1 Cấu hỡnh mạch hồi tiếp Ta cú Sfb = f.So CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 38Sε = Si - Sf b Từ biểu thức trờn ta cú: Sε= Si - Sfb Do đú So=a.Si - a.f.So Suy ra: TaAiSo+==1S Với A là hệ số khuyếch đại tổng cộng (closed-loop gain) T là hệ số khuyếch đại vũng (loop gain): T=a.f Nếu T. - Suy ra: 2).1(1fadadA+= Nếu a thay đổi một lượng ∆a thỡ A thay đổi một lượng ∆A: 2).1( faaA+=δδ Tỉ số thay đổi của A là: .).1(.12faaafaAA++=δδ CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 39Biểu thức trờn chứng tỏ, khi sử dụng hồi tiếp õm, sai số của hệ số khuyếch đại tổng cộng bằng giảm đi (1+T) lần. - CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 40 Hỡnh 2.3 Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuyếch đại cú hồi tiếp. - CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 412.2.1. - Kết quả được thể hiện như đồ thị Bode sau: CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 42 Hỡnh 2.5 Mối quan hệ giữa độ lớn hệ số khuyếch đại và tần số của bộ khuyếch đại cơ bản cú hồi tiếp Hỡnh 2.6 Biểu diễn điểm cực trờn hệ trục toạ độ phức Ta cú, hệ số khuyếch đại tần số thấp To được tăng, biờn độ tại cỏc điểm cực của hàm A(s) tăng. - CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 44Giả sử rằng bộ khuyếch đại này cú sử dụng bộ hồi tiếp với f là một hằng số dương. - Định nghĩa phase margin: CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 45Phase margin= 180o +(ph T(jω) tại tần số mà |T(jω. - Như vậy mụ hỡnh tớn hiệu nhỏ của bộ khuyếch đại hai tầng sử dụng tụ Miller cú dạng: CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 46 Hinh 2.10 Bự miler cho OPAM 2 tầng Ảnh hưởng của tụ Miller làm cho điện trở RI tăng một lượng gmIIRIICC. - Một điểm khụng sinh ra nằm trờn trục thực dương cú giỏ trị: z1 = CgcmII CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ ỔN ĐỊNH Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 47Hỡnh vẽ sau mụ tả đồ thị biờn độ và phase trước khi bự và sau khi bự. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 48CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC 3.1. - Cỏc IC nguồn thiết kế ra cú rất nhiều tớnh năng nổi trội. - Bộ chuyển đổi mà kết hợp cả hai chức năng trờn CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 49* Theo sự cỏch ly giữa đầu vào và đầu ra - Bộ chuyển đổi cú sự cỏch ly hoàn toàn giữa đầu vào và đầu ra. - Dũng điện này đúng vai trũ như nguồn dũng để nạp cho tụ và tải đầu ra, nờn tại tần số thấp thỡ tạo nờn một điểm cực do CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 50Cout và Rload. - Khối đệm (current amplifier) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 51 Hỡnh 3.1 Mụ hỡnh buck Voltage mode Khối cụng suất (FET Q1) nối từ đầu vào Vdc tới điểm V1. - Quỏ trỡnh cũng diễn ra tương tự trong cỏc CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 52trường hợp điện ỏp tăng. - Khối cụng suất - Khối feed back là trở phõn ỏp - Bộ khuyếch đại sai lỗi (EA) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 53- Bộ tạo xung (PWL. - Trong Current mode điều khiển sự chuyển đổi dũng điện CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 54trờn cuộn cảm thành điện ỏp để đưa vào khối tạo xung (PWM). - Dũng điện CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 55trong cuộn cảm này tăng lờn. - Hỡnh 3.5 Sơ đồ nguyờn lý của mạch Buck Hỡnh 3.6 Mạch Buck trong trường hợp Switch đúng CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 56Khi Switch đúng, điện ỏp đầu vào được kết nối với cuộn cảm. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 58 Điện ỏp đầu ra BUCK tỉ lệ thuận với điện ỏp đầu vào và độ rộng chu kỳ xung. - Giỏ trị CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 59tổn hao này phụ thuộc vào mối quan hệ về thời gian và độ dốc của dũng điện và điện ỏp. - Và cụng suất tổn hao trung bỡnh là: Ptb(off) =TTVIoffdco=ì6 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 60Ta thấy trong trường hợp này Ton = Toff = Ts, thỡ toàn bộ suy hao (suy hao trong quỏ trỡnh bật tắt): Pac = (VdcIoTs)/3T Hiệu suất trong trường hợp này của mạch là: Efficency = TAClossesDClossesTVVVPPSDC310000. - VdcIo(Ts/T) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 61 Hỡnh 3.10 Thời gian switching power mos xấu nhất Efficiency = TAClosseDClossesTVVVPPsdc310000. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 62Khi hoạt động với độ rộng xung nhỏ hơn 50% thỡ tớn hiệu nhiễu của dũng điện bị loại bỏ sau một vài chu kỳ. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 63 Hỡnh 3.13 Hoạt động của mạch điện khi cú bự Slope Mạch sẽ bự được hoàn toàn khi m>m2/2. - Khi đú người ta thiết kế Buck hoạt động trong chế độ dẫn khụng liờn tục (DCM). - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 64Hỡnh 3.14 Buck hoạt động trong CCM, khụng cú DCM Hỡnh 3.15 Buck hoạt động trong DCM, CCM So sỏnh DCM và CCM: z Trong chế độ CCM, dũng điện qua cuộn cảm luụn dương z Khi tải nhẹ, trong chế độ DCM thỡ độ rộng xung nhỏ hơn trong chế độ CCM z Khi tải nhẹ, chế độ CCM rất rắc rối. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 65Như ta đó biết thỡ trong mạch Switching thỡ tần số chuyển mạch là khụng đổi. - Hỡnh 3.16 Hiệu suất của mạch theo Iout ở PFM/PWM 3.8.2 Kỹ thuật PFM Để nõng cao hiệu suất cho mạch ở chế độ tải cú dũng tiờu thụ thấp (Light load) thỡ ta cú một số cải tiến sau: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 66Như ta đó biết thỡ trong PWM thỡ ta biết là tần số chuyển mạch khụng phụ thuộc vào dũng ra. - Độ gợn súng đầu ra: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 67Từ cụng thức trờn ta thấy độ gợn súng điện ỏp đầu ra trong miền PFM khỏ lớn. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 68 Ploss là cụng suất tổn hao bờn trong bộ chuyển đổi. - Thiết kế BUCK làm nhiệm vụ chuyển đổi điện ỏp một chiều cú giỏ trị đầu vào từ 2.6V->5.5V. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 69 Hỡnh 3.18 Sơ đồ ứng dụng của BUCK Đõy là loại IC chuyển đổi DC tới DC dạng hạ điện ỏp (Step down). - Khi điện ỏp ra giảm thỡ Vcomp CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 70lại cú xu hướng tăng. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 71- Khối đệm. - Thiết kế và tớnh toỏn Buck 3.9.3.1. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 72 Hỡnh 3.20 Mạch nguyờn lý tạo dao dộng sử dụng mạch so sỏnh và hai tụ Thời gian nửa chu kỳ đầu cũng là thời gian tụ C2 nạp đến mức điện ỏp Vref1 do vậy: Tt = 22*2IVrefC Khi tớn hiệu đầu ra ở mức thấp, bộ Control điều khiển để tụ C1 nạp (K1 đúng, K2 mở), tụ C2 phúng(K3 mở, K4 đúng). - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 75 Mạch tạo dũng phõn cực cú cấu trỳc của mạch tự phõn cực. - Đường nhiệt của điện ỏp tham chiếu thu được (với gớa trị điện trở Xr4B=1935k vàXr3= Xr4A =15meg) như sau: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 76 Hỡnh 3.24 Điện ỏp tham chiếu biến thiờn theo nhiệt độ Hỡnh 3.25 Hệ số khuyếch đại và Pha vũng của mạch BanGap Sự biến thiờn điện ỏp tham chiếu lớn nhất là 1.6mV trong toàn dải -40 tới 125o. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 77Mạch tạo điện ỏp Bangap này cũng là một mạch hồi tiếp vỡ vậy cần xem xột tới sự ổn định của mạch. - 3.9.3.4 Khối khuyếch đại sai lỗi CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 78Khối khuyếch đại sai lỗi (Buck_EA) là khối khuyếch đại tớn hiệu sai khỏc. - Tọa độ điểm khụng: 1121CRFzΠ= Tọa độ điểm cực: 2121CRFpΠ= Đặc tớnh Gain của mạch: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 79Mạch điện như hỡnh vẽ trờn là mạch điện khuyếch đại sai lỗi hỗ dẫn. - Transistor XM2 đúng vai trũ CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 81là Switching của mạch cũn XM1 đúng vai trũ là cảm nhận dũng. - Điện ỏp này ta cú thể thay đổi theo yờu cầu thiết kế. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 84 Hỡnh 3.32 Mạch khối Buck_CLAMP Như trờn mạch ta thấy: khi tớn hiệu COM(Vout của Buck_AM) nhỏ hơn VCLAMP thỡ đầu ra V1 thấp làm cho XM5 khoỏ, khụng cú dũng đi từ COM về đất. - Việc tăng này tiếp CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 86tục tới khi Vsum lớn hơn COM, lỳc này cú tớn hiệu QEAB làm cho Switching mở ra, ngắt dũng từ Vin đến cuộn cảm. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 87Tớnh dũng qua tải lớn nhất (Current limit). - Nú giỳp ta cú thể thiết kế dũng điện đầu ra lớn nhất một cỏch chớnh xỏc. - 3.9.3.8 Khối nhận biết dũng đỉnh CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 88 Hỡnh 3.34 Sơ đồ khối mạch Buck_LIMIT Trong cỏc mạch điện ngày nay, Buck được thiết kế cú khả năng làm việc với cả hai chế độ là PFM/PWM. - Khi mạch đang ở trạng thỏi mở và tiờu thụ năng lượng thỡ sẽ làm cho điện ỏp đầu ra giảm CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 89xuống. - Nguyờn lý hoạt động: Mạch cú thiết kế như một bộ khuyếch đại, nú hoạt động dựa trờn sự chờnh lệch về điện ỏp. - 22.11WLLW Trong đú: W1, L1 là kớch thước của POWER W2, L2 là kớch thước của XM1 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 90. - Lỳc này tớn hiệu V1 được đưa lờn CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 91cao. - Hỡnh 3.36 Tớnh hiệu Buck_SELECK PWM CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 92 Hỡnh 3.37 Tớnh hiệu Buck_SELECK PFM 3.9.3.10. - Khối điều khiển logic Hỡnh 3.38 Sơ đồ khối Buck_LOGIC Nguyờn lý hoạt động khối điều khiển logic (Buck_LOGIC) như sau: Mạch hoạt động trong PWM: ANAND2VGX1AINVVGX3ANOR2VGX6ANOR2VGX7AINVVGX2ANOR2VGX4AINVVGX5QACLKPCHONNCHON4 523PCHONQACLK1NCHON CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 93 Tớn hiệu đồng hồ set của xung đồ hồ lờn thỡ tớn hiệu QA và “1” đều ở thấp. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 94 Hỡnh 3.40 Tớn hiệu khối Buck logic ở PFM 3.9.4. - Vout khi dũng Iload thay đổi CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 97 Hỡnh 3.43 Vout khi Iload thay đổi Vout đựoc thiết lập bằng 1.2V ổn định khi dũng tải thay đổi đột ngột từ 0.2-0.8A. - CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 983.9.4.2 Thụng số BUCK trong IC ACT5870 a. - Hiệu suất Hỡnh 3.44 Hiệu suất buck trong ACT5870, Vout=1.8V Hỡnh 3.45 Hiệu suất buck trong LCT3417A, Vout=2.5V CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 99Nhận thấy hiệu suất tăng dần theo dũng tải và cao nhất 92.8% (ACT5870) và 94% (LCT3417A linear technology). - Đỏp ứng Vout khi Iload thay đổi (Load step) Hỡnh 3.46 Load step tại Vin=3.6, Iload 500mA, ACT5870 Hỡnh 3.47 Load step tại Vin=3.6, Iload 500mA, LCT3417A CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 100Trong hỡnh (3.46) Vout thay đổi 150mV, trong khi đú 100mV hỡnh 3.47. - Dũng tiờu thụ BUCK theo Vin Hinh 3.49 Dũng tiờu thụ BUCK theo Vin CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ IC NGUỒN KIỂU DC-DC Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 101Nhận xột: Ta thấy cỏc đặc tớnh của BUCK trong ACT5870 rất ổn định theo nhiệt độ, tải và đạt được hiệu suất khỏ cao. - Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 103PHỤ LỤC 1. - Unit VTOP(10/0.35, linear extrapolated V IDSN (10/0.35,VD=VG uA/um Body Factor (10/10,VSUB=0,-1.5V V∧0.5 Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 106Body Factor (10/0.35,VSUB=0,-1.5V V∧0.5 BVP (10/0.35, ID=-1uA. - V Thiết kế IC nguồn dựa trờn cụng nghệ CMOS SVTH: Nguyễn Hoàng Long 107ISUN (10/0.5;maximum
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt