CHƯƠNG 1 Tổng Quan 1.1 Tổng quan chung: Mạch nguồn DC/DC có mặt hầu hết trong các thiết bị điện tử cầm tay dùng pin như là máy tính, điện thoại, máy nghe nhạc…Các thiết bị điện tử cầm tay hiện nay thường có nhiều mạch điện nhỏ mỗi mạch điện đó cần có nguồn phụ để cung cấp cho chúng, nguồn chính của thiết bị được lấy từ pin. Dùng các mạch nguồn DC/DC giúp tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau từ một nguồn chính để cung cấp cho từng mạch riêng trong thiết bị. Phương pháp tạo ra nhiều mức điện áp từ pin có thể giúp giảm kích thước của thiết bị. Hơn nữa điện áp DC cung cấp bởi pin hay bộ chỉnh lưu thường bị nhiễu rất cao và không thể cung cấp cho mạch ngay được, mạch nguồn DC/DC có thể làm giảm những gợn sóng và ảnh hưởng của dòng điện tải hay điện áp đầu vào lên điện áp ngõ ra [1].
Vấn đề cấp thiết đối với các hệ thống điện tử cầm tay hiện nay là việc kéo dài thời gian sử dụng và giảm nhiễu do mạch nguồn gây ra. Do đó cải thiện hiệu suất cho mạch nguồn DC/DC là vấn đề cấp thiết hiện nay, nó sẽ giúp chúng ta tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian sống của pin và điều khiển hệ thống hoạt động ổn định hơn.1 mô tả sơ đồ khối của nguồn tuyến tính và nguồn xung, có thể thấy là nguồn xung có thiết kế phức tạp hơn nhiều so với nguồn tuyến tính, nhưng nguồn xung lại cho hiệu suất vượt trội hơn nhiều so với nguồn tuyến tính.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung 1 Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính và nguồn xung Nguồn tuyến tính Nguồn Xung Kiểu Buck Buck, Boost, Buck-Boost Hiệu suất Thấp Cao Phức tạp Thấp Trung bình -> Cao Giá thành Thấp Trung bình -> Cao EMI / Nhiễu Thấp Cao Từ bảng 1.1 ta có thể nhận ra nguồn xung cho hiệu suất cao, vì thế trong luận văn tôi tập trung vào thiết kế và đề xuất phương pháp để cải thiện hiệu suất cho nguồn xung. Có rất nhiều công nghệ để chế tạo nguồn xung, tuỳ thuộc vào từng mức điện áp ngõ vào mà ta có thể lựa chọn các công nghệ khác nhau để thiết kế.2 mô tả chi tiết các mức điện áp cho Mosfet dùng trong các ứng dụng khác nhau, Ở trong luận văn này do điện áp ngõ vào chỉ tối đa 3.8v, nên tôi sẽ lựa chọn công nghệ thiết kế là CMOS 65nm và dùng IO Mosfet để thiết kế. Khi kích thước của Mosfet càng nhỏ (công nghệ 22nm, 16nm) thì điện áp mà Mosfet chịu được càng thấp do đó không phù hợp với yêu cầu điện áp từ pin (3.3V), hơn nữa khi xuống những node công nghệ càng thấp thì thiết kế các mạch analog sẽ gặp khó khăn hơn rất nhiều (độ lợi của Mosfet nhỏ, lớp oxide mỏng …) và giá tiền khi chế tạo ở các công nghệ nhỏ hơn sẽ đắt hơn rất nhiều so với những công nghệ cũ hơn.
Do đó để cân bằng giữa giá thành và hiệu năng của mạch thì tôi lựa chọn công nghệ CMOS 65nm.2 Các mức điện áp và ứng dụng phổ biến 1.2 Kết quả nghiên cứu liên quan: Bảng 1.2 So sánh các nghiên cứu trước đó trên IEEE.2 Điện áp ngõ vào 2.3 (V) Điện áp ngõ ra 1 0.2 (V) Dòng điện ngõ 0.003 N/A ra tối đa (A) Dòng điện ngõ 50-460 0.001-3 200 ra (mA) Cao/Thấp Hiệu 95%/71% 94%/50% 90.5%/67% 49/91% suất Diện tích trên 3.85 silicon (mm2) Chế độ điều PWM/PFM CCM/DCM DPWM/PPFM MSPPWM/PWM/ khiển PFM Các mạch logic Counter , 2Pulse Conv., 2DFF, 2AND, N/A điều khiển Latch, logic Latch, 1NOT, 2Buf FOM 340 7. Giá trị của FOM càng lớn thì thiết kế càng tốt.2 so sánh các nghiên cứu về mạch DC/DC hiệu suất cao đã được công bố trên IEEE, có nhiều phương pháp được dùng để cải thiện hiệu suất của mạch DC/DC như PWM, PFM, DPWM., trong luận văn này tôi trình bày thiết kế mạch hoạt động trong 3 ba chế độ chính: PWM, PFM, đồng thời đề xuất thêm chế độ Bypass nhằm giúp cải thiện thời gian hoạt động của pin và giảm nhiễu tại ngõ ra. Ở [16] do dùng công nghệ 350nm nên chiếm diện tích lớn và không thể hoạt động khi điện áp ngõ vào thấp, mạch soft-start dùng xung để điều chỉnh dòng điện nên sẽ bị ảnh hưởng bởi PVT dẫn đến dòng điện sẽ bị cao khi mạch bắt đầu khởi đông. Thiết kế trong luận văn dùng công nghệ 65nm và dùng các kiến trúc khác nhau để có thể chạy được với điện áp thấp và nó cũng đề xuất kiến trúc cho mạch soft-start để khắc phục vấn đề quá dòng khi bắt đầu hoạt động.
Trong [16], [17] dùng chế độ điều khiển CCM/DCM vì thế cho hiệu suất thấp và phù hợp với các ứng dụng IOT do nó chỉ cung cấp dòng tải tối đa thấp. Thông qua mô phỏng khi dòng điện trung bình của cuộn dây giảm dưới 50mA thì mạch nguồn DC/DC Buck đi vào chế độ DCM, do đó trong luận văn này sẽ thiết kế điểm chuyển giữa chế độ PWM và PFM là khi dòng điện trung bình của cuộn dây giảm dưới 50mA [19]. Có nhiều phương pháp điều khiển nguồn xung, như [25] dùng hai vòng lặp điều khiển nhưng mạch sẽ phức tạp hơn và tiêu thụ nhiều công suất, do đó trong luận văn sẽ dùng chế độ điều khiển chỉ một vòng lặp bằng áp (voltage mode).3 Mục đích của đề tài: Mục đích chính của luận văn là đưa ra phương pháp và sơ đồ khối mô tả hoạt động của mạch Buck để cải thiện hiệu suất của mạch nguồn và thông số đề xuất ban đầu cho mạch nguồn Buck từ đó điều khiển nguồn xung DC/DC hoạt động ở chế độ PWM khi dòng tải lớn, chuyển qua chế độ PFM khi dòng tải nhỏ, và khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 1.9V thì sẽ đi vào chế độ Bypass để giảm nhiễu. Tham khảo thông số từ các chip nguồn phổ biến trên thị trường và các bài báo khoa học trên IEEE ở bảng 1.2 thông số của mạch Buck trong luận văn được đặt ra ban đầu ở bảng 1.3 Thông số đề xuất của mạch Buck.
Thông số đề xuất của mạch Buck 4 Công nghệ (nm) 65 Switching Freq.8 Điện áp ngõ ra (V) 1.5 Dòng điện ngõ ra tối đa (A) 0.5 Dòng điện ngõ ra (mA) 2-500 Cao/Thấp Hiệu suất 97%/88% Ripple ở chế độ PWM < 5mV Ripple ở chế độ PFM < 50mV Diện tích trên silicon (mm2) <3mm2 Chế độ điều khiển PWM/PFM/Bypass (50mA là mức ngưỡng của dòng khi chuyển từ PWM sang PFM) Các mạch logic điều khiển Counter, Mux, Latch, logic Từ các thông số đặt ra ban đầu ở bảng 1.3, luận văn sẽ trình bày cách thiết kế từng khối nhỏ và ghép lại để xây dựng hệ thống mạch Buck và tiến hành mô phỏng để đảm bảo kết quả phải phù hợp các thông số đề xuất.1 Nhiệm vụ của đề tài: - Trình bày phương pháp để cải thiện hiệu suất cho mạch nguồn xung Buck DC/DC. - Đề xuất sơ đồ khối hoạt động của nguồn xung nhằm mục đích cải thiện hiệu suất của mạch nguồn. - Thiết kế chi tiết từng mạch phụ như mạch tạo điện áp tham chiếu, mạch tạo xung, mạch bù pha cho toàn hệ thống. - Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Cadence.
- So sánh kết quả mô phỏng với thông số đề xuất.2 Giới hạn của đề tài: - Đề tài chỉ thiết kế và mô phỏng hệ thống trên Cadence. - Không chế tạo chip. - Không làm mô hình thực tế.5 Phương pháp nghiên cứu: - Dùng phương pháp mô phỏng để mô phỏng các khối mạch nhỏ và toàn hệ thống trên phần mềm cadence. - Phân tích mạch và chọn giá trị các linh kiện cho mạch.
- Dùng các kiến thức về vi mạch tương tự để thiết kế các khối mạch nhỏ ở mức transistor. - Thiết kế mạch dùng công nghệ CMOS gồm NMOS, PMOS và BJT, chỉnh kích thước W/L phù hợp để tối ưu hiệu năng.6 Kết cấu của luận văn: Trong luận văn này sẽ trình bày các nghiên cứu về mạch nguồn xung DC/DC và thiết kế mạch hạ áp Buck DC/DC trên công nghệ CMOS 65nm tần số switching 1Mhz, điện áp ngõ vào từ 1.8v, điện áp ngõ ra 1. Mục đích chính là đưa ra các phương pháp và thuật toán để cải thiện hiệu suất của mạch nguồn. Các chương còn lại của luận văn được sắp xếp như sau: Chương 2 Cơ sở lý thuyết.
thảo luận các phương pháp chuyển đổi DC/DC và các kiến trúc của chúng. Chương 3 Thiết kế mạch DC/DC Buck, cải tiến và tính toán các thông số cho mạch. Chương 4 Đánh giá hiệu năng của mạch DC/DC Buck, mô phỏng mạch với sự thay đổi của PVT và chuyển đổi giữa các chế độ của mạch. Chương 5 Kết luận so sánh kết quả mô phỏng với thông số đặt ra ban đầu và hướng phát triển của luận văn.
6 CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết về chuyển đổi DC/DC Mạch nguồn xung và nguồn tuyến tính là hai phương pháp phổ biến để chuyển đổi điện áp DC chưa điều chỉnh sang điện áp DC có điều chỉnh, không bị ảnh hưởng bởi dòng điện trên tải hoặc điện áp ngõ vào. Trong chương này tôi trình bày những phương pháp chuyển đổi DC/DC và những ưu và nhược điểm của chúng.1 Các phương pháp chuyển đổi DC/DC: 2.1 Nguồn tuyến tính: Nguồn tuyến tính là kiểu nguồn thay vì dùng các công tắc, nó dùng cầu chia áp để điều chỉnh điện áp ngõ ra.1 mô tả sơ đồ khối của nguồn tuyến tính gồm 2 phần chính: - Phần điều chỉnh áp gồm biến trở (thông thường là transistor hoạt động trong vùng tuyến tính) mắc nối tiếp với tải tại ngõ ra để điều chỉnh điện áp ngõ ra [4] Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn tuyến tính Như đã chỉ ra trong hình 2.2, phần điều khiển “nguồn dòng điều khiển bởi điệp áp” sẽ cảm biến điện áp tại ngõ ra và điều chỉnh nguồn dòng 𝐼𝑠 để giữ điện áp ngõ ra bằng với 𝑉𝑟𝑒𝑓 7 Hình 2.2 Nguồn tuyến tính Không giống như nguồn xung, nguồn tuyến tính hoạt động liên tục vì thế hiệu suất của nó thấp hơn nguồn xung và tạo ra nhiều nhiệt hơn so với nguồn xung. Ví dụ như điện áp ngõ vào và dòng điện của nó là 5V và 5A, cần 2V tại ngõ ra. Công suất thất thoát của nguồn tuyến tính = 3V*5A =15W ở biến trở cũng như tạo thành nhiệt lượng tỏa ra để điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng 2V, do đó cần tản nhiệt có kích thước lớn để giảm nhiệt độ của mạch.
Khi sự chênh lệch điện áp giữa ngõ vào và ngõ ra càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, và do đó yêu cầu về tản nhiệt cũng tăng lên tương ứng.