Bibliographic Metadata

Title
Modeling, control and digital implementation of DC-DC converters under variable switching frequency operation / Robert Priewasser
Additional Titles
Modeling, control and digital Implementation of DC-DC converters under variable switching frequency operation
AuthorPriewasser, Robert
CensorHuemer, Mario ; Weigel, Robert
Published2013
DescriptionXVII, 206 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteKlagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Diss., 2013
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Gleichspannungswandler / digitale Regelung / PMU / nichtlineare Regelung
Keywords (EN)DC-DC converter / digital control / PMU / non-linear control / power management
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-1696 Persistent Identifier (URN)
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Modeling, control and digital implementation of DC-DC converters under variable switching frequency operation [9.04 mb]
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Abstract (German)

Die Zunahme von komplexen Computersystemen im tÃ$glichen Leben und die steigende Anzahl an integrierten Schaltungen in moderenen Industrieanwendungen, Unterhaltungs- und Haushaltselektronik sowie in hochspezialisierten Schaltungen erhÃhen die Anforderungen an Energieeffizienz und verlangen nach innovativen AnsÃ$tzen fÃr das Power Management derartiger Systeme. Die Power Management Einheit (PMU) stellt dabei selbst ein komplexes analog/digitales System dar, welches viele Aufgaben Ãbernehmen muss, wie zum Beispiel dynamisches Power Management, Laden und Éberwachen von Batterien, zur VerfÃgungstellung von verschiedenen internen Spannungen fÃr verschiedene Leistungsklassen, Schutzbeschaltungen, etc.. Gleichspannungswandler sind ein integraler Bestandteil der PMUs moderner elektronischer GerÃ$te. Diese Arbeit konzentriert sich dabei auf die Modellierung sowie auf den Entwurf digitaler Regelalgorithmen und deren effiziente Implementierung, fÃr genau solche Gleichspannungswandler.

In vielen FÃ$llen werden Gleichspannungswandler mit einer konstanten Schaltfrequenz betrieben um zum Beispiel einen konstanten spektralen FuÃabdruck zu hinterlassen. Nichsdestotrotz ist es in vielen Anwendungen zulÃ$ssig die Schaltfrequenz fÃr einige Zyklen zu verÃ$ndern um etwa rascher auf LasteinflÃsse reagieren zu kÃnnen. Der Ansatz, die Schaltfrequenz anzupassen, wurde als Kernkonzept identifiziert, um die transiente Performance von geschaltenen Gleichspannungswandlern weiter zu optimieren.

Um diesen Ansatz systematisch verfolgen zu kÃnnen, werden Modelle benÃtigt, welche das dynamische Verhalten der Konverterschaltung unter variabler Schaltfrequenz beschreiben. In dieser Arbeit wird ein Modellierungsansatz vorgestellt, welcher genau dies leistet. Die vorgeschlagenen Modelle beschreiben das gemittelte und linearisierte Kleinsignalverhalten von Wandlerschaltungen unter verÃ$nderlicher Schaltfrequenz. Im Anschluss an die Modellbi werden drei systematische ReglerentwÃrfe prÃ$sentiert, welche das gewonnene Zusatzwissen ausnÃtzen. Zwei der drei Reglersysteme wurden in Hardware implementiert. Zum einen wurde ein digitaler paralleler Mehrschleifen-PID (proportional-integral-derivative) Regler als ASIC (application-specific integrated circuit) in einer 0.13 um CMOS Technologie implementiert und zum anderen wurde ein digitaler Zustandsregler auf einer FPGA (field-programmable gate array) Plattform realisiert. Die Implementierung des Mehrschleifen-PID Reglers wird in aller Tiefe ausgefÃhrt.

Beide Reglersysteme wurden messtechnisch verifiziert und ausgewÃ$hlte Ergebnisse werden in dieser Arbeit vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante Leistungssteigerung bei Gleichspannungswandlern mÃglich ist, wenn man eine verÃ$nderliche Schaltfrequenz zulÃ$sst und sich diese zusÃ$tzlich systematisch zunutze macht.

Abstract (English)

The demand for complex computer systems of our modern society and the increasing number of integrated circuits ICs in recent industrial applications, consumer products or specialized circuit solutions, steadily raises the bar for the power management of such systems. The power management unit (PMU) is an essential part of every state-of-the art consumer electronic device. The (PMU) itself is a complex mixed-signal system which has to provide a feature-rich set of functionalities, i.e. dynamic power management, charging and observation of batteries, supply of blocks with diverse specifications and power ratings, security mechanisms, etc.. From this wide design space, the focus of this thesis is on the modeling and the digital control of switched DC-DC converters, which are essential for the efficient conversion of power, in order to supply functional blocks according to their specifications. Thus, they are an inherent part of a (PMU).

In general, fixed-frequency operation of the power conversion circuit is desired, due to e.g. predictability of disturbances caused by the converter. Nevertheless, in many practical systems it is tolerable to allow modifications of the inherent converter switching frequency for a few cycles during transient events. This variable switching frequency operation has been identified as a key concept to further optimize the transient performance of switched DC-DC converters.

This thesis aims to systematically exploit that additional degree of freedom. Thus, as a first contribution, a modeling approach is proposed, which reflects the dynamic responses of the converter circuits under variable frequency operation. Subsequently, three systematic digital controller designs are presented, which exploit the insights gained by the proposed models. Two control structures, a digital parallel multi-loop proportial-integral-derivative (PID) control structure, as well as a digital linear-quadratic-gaussian-regulator (LQG) state-feedback controller, have been designed and implemented on silicon hardware and on a prototyping system, respectively. The implementation of the multi-loop PID controller system, as an application-specific integrated circuit (ASIC) in a 0.13 um CMOS technology, is presented in great detail and many implementation-related issues are discussed.

Experimental results are given for both schemes in order to demonstrate the effectiveness and performance of the proposed structures. It has been shown that a significant boost in the converter performance can be achieved by systematically modulating the converter switching frequency during transient events.

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