(Luận văn thạc sĩ hcmute) thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65nm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG DUY

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT
CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203

S K C0 0 7 0 5 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG DUY

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK
TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2020

(dịng 25)

Tp. Hồ Chí Minh, tháng …/… (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm bảo

vệ)
i

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG DUY

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK
TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VÕ MINH HUÂN
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2020

(dịng 25)
vệ)

Tp. Hồ Chí Minh, tháng …/… (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm bảo
ii

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Đặng Duy
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 19/08/1988
Nơi sinh: Đồng Tháp
Quê quán: Đồng Tháp
Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: Số 127/2_Đường Man Thiện_P.Hiệp Phú _ Quận 9_TP.HCM
Điện thoại nhà riêng: 0976364029
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 03/2014
Nơi học (trường, thành phố): HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN
THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật Điện, Điện Tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN
ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM”.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 28/11/2020 tại Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Người hướng dẫn: TS. Võ Minh Hn
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI

HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2014

Công ty ICDREC

Analog IC Design

2017

Công ty Microchip Vietnam

Analog IC Design

iii

Luan van


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả trong chuyên đề là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh , ngày 24 tháng 09 năm 2020

Học Viên
Đặng Duy

iv

Luan van


LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn, quý thầy cơ trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP.HCM
nói chung và q thầy cơ bộ mơn Điện Tử nói riêng, đã trang bị kiến thức và giúp tôi
giải quyết những khó khăn trong q trình làm luận văn.
Đặt biệt tơi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, T.S Võ Minh Huân đã tận tình giúp
đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ tôi nghiên cứu trong q trình thực hiện.
Tơi xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2020.
Học viên
Đặng Duy

v

Luan van


TÓM TẮT

Mạch nguồn xung là một trong những thành phần rất quan trọng trong các thiết bị điện
tử cầm tay, vì thế hiệu suất, độ chính xác và giá thành là một vấn đề lớn. Nội dung trong
luận văn sẽ đề cập và giải quyết đến những vấn đề đã nêu ở trên.

Luận văn này được phát triển dựa trên bài báo của chính tác giả đã được đăng trên tạp
chí IEEE “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM/PFM Buck Converter with Bypass
mode for Transceiver applications” [20]. Nội dung trong luận văn trình bày về mạch
nguồn xung DC/DC, mạch nguồn tuyến tính và đề xuất sơ đồ hoạt động cho mạch hạ áp
DC/DC Buck trên công nghệ CMOS 65nm với tần số đóng mở 1Mhz, điện áp ngõ vào
từ 1.5v đến 3.8v, điện áp ngõ ra 1.5v, dòng tải tối đa 500mA.
Mục tiêu chính của luận văn là đưa ra phương pháp để cải thiện hiệu suất của mạch
nguồn và 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. Đồng thời cũng đề xuất các thông số cho mạch nguồn
Buck và so sánh kết quả của mô phỏng với thông số đặt ra ban đầu.

vi

Luan van


ABSTRACT

Switch Mode Power Supply is one of the ingredients is very important in the portable
electronic device, so the efficiency, accuracy, and cost is a major issue. The content of
the thesis will mention and solve these problems.
This thesis is developed based on the author's own article which was published on IEEE
magazine “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM / PFM Buck Converter with Bypass
mode for Transceiver applications” [20]. The thesis presents the DC / DC Switch Mode
Power Supply, Linear power supply and propose operation diagram for the low voltage
Buck on 65nm CMOS technology with 1Mhz switching frequency, input voltage from
1.5 V to 3.8v, output voltage 1.5v, maximum load current 500mA.
The main goal of the thesis present a method to improve the efficiency of the Buck
circuit and control the DC / DC Buck operating in PWM mode when the load current is

high, switching to the PFM mode when the load is low, and when input voltage less than
1.9V will go into Bypass mode to reduce noise. This thesis also propose the important
parameters for DC / DC Buck and compare the results of the simulation with the initial
parameters.

vii

Luan van


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................xi
CHƯƠNG 1

Tổng Quan ............................................................................................1

1.1

Tổng quan chung: ..............................................................................................1

1.2

Kết quả nghiên cứu liên quan: ...........................................................................3

1.3

Mục đích của đề tài: ...........................................................................................4

1.4

Tóm tắt đề tài: ....................................................................................................5

1.4.1

Nhiệm vụ của đề tài: ...................................................................................5

1.4.2

Giới hạn của đề tài: .....................................................................................6

1.5

Phương pháp nghiên cứu: ..................................................................................6

1.6

Kết cấu của luận văn: .........................................................................................6

CHƯƠNG 2
2.1

Cơ sở lý thuyết về chuyển đổi DC/DC .................................................7

Các phương pháp chuyển đổi DC/DC: ..............................................................7

2.1.1

Nguồn tuyến tính: ........................................................................................7

2.1.2

Nguồn xung: ................................................................................................8

2.2

Nguồn xung vs nguồn tuyến tính: ......................................................................9

2.3

Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck: ..............................................................11

2.4

Các mạch dùng trong nguồn hạ áp DC/DC Buck: ...........................................13

2.4.1

Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung: ......................................................13

2.4.2

Tầng công suất: .........................................................................................16

2.4.3

Cuộn dây: ..................................................................................................16

2.4.4

Tụ điện: .....................................................................................................17

2.5

Công suất thất thốt và hiệu suất: ....................................................................17

2.6

Tính tốn duty cycle cho mạch Buck: .............................................................18

2.7

Bù pha và tiêu chuẩn ổn định:..........................................................................21

2.7.1

Bù kiểu I: ...................................................................................................22

2.7.1.1 Hàm truyền của bù kiểu I: .....................................................................23
2.7.2

Bù kiểu II:..................................................................................................23

2.7.2.1 Hàm truyền bù kiểu II: ...........................................................................24
2.7.3

Bù kiểu III: ................................................................................................24
viii

Luan van

2.7.3.1 Hàm truyền bù kiểu III: .........................................................................25
CHƯƠNG 3

Thiết kế mạch hạ áp DC/DC Buck .....................................................27

3.1

Cải tiến mạch: ..................................................................................................28

3.2

Tính tốn các thơng số: ....................................................................................29

3.2.1

Tính tốn giá trị tối thiểu khi chọn cuộn dây và tụ điện: ..........................29

3.2.1.1 Chọn cuộn dây: ......................................................................................29
3.2.1.2 Chọn tụ điện: ..........................................................................................31
3.3

Sơ đồ khối chi tiết mạch Buck: ........................................................................33

3.3.1

Phân tích tín hiệu nhỏ của mạch: ..............................................................37

3.3.2

Mạch tạo điện áp tham chiếu (bandgap): ..................................................39

3.3.3

Mạch phát hiện điện áp tại nguồn: ............................................................42

3.3.4

Mạch khởi động mềm và mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi: .........................48

3.3.5

Mạch so sánh: ............................................................................................49

3.3.6

Mạch cảm biến dòng điện trong cuộn dây: ...............................................50

3.3.7

Mạch phát hiện dòng điện khi dòng tải giảm xuống mức 0: .....................53

3.3.8

Mạch tạo dao động: ...................................................................................56

CHƯƠNG 4

Đánh giá hiệu năng mạch Buck ..........................................................58

4.1

Chuyển đổi giữa các chế độ của mạch DC/DC Buck: .....................................58

4.2

Mô phỏng theo PVT cho mạch DC/DC Buck: ................................................58

4.3

Hiệu suất của mạch DC/DC Buck: ..................................................................60

4.4

Tóm tắt các kết quả đạt được: ..........................................................................61

CHƯƠNG 5

Kết luận và hướng phát triển ..............................................................65

5.1

Kết luận: ...........................................................................................................65

5.2

Hướng phát triển: .............................................................................................65

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................67

PHỤ LỤC

69

ix

Luan van


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU

VIẾT TẮT

DC

Direct current

PWM

Pulse width modulation

PFM

Pulse frequency modulation

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

DCM

Discontinuous Conduction Mode

CCM

Continuous Conduction Mode

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

EMI

Electromagnetic Interference

ESR

Equivalent Series Resistance

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

x

Luan van


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 1.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung ....................................................................1
Hình 1.2 Các mức điện áp và ứng dụng phổ biến ...........................................................3
Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn tuyến tính.............................................................................7
Hình 2.2 Nguồn tuyến tính ..............................................................................................8
Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch DC/DC [2]. ...........................................................................9
Hình 2.4 Mạch nguồn xung .............................................................................................9
Hình 2.5 Mạch hạ áp Buck ............................................................................................12
Hình 2.6 Mạch Buck khi dùng transistor.......................................................................12
Hình 2.7 Sơ đồ khối của bộ điều chế độ rơng xung DC/DC Buck................................13
Hình 2.8 Bộ điều chế độ rơng xung ...............................................................................14
Hình 2.9 Dạng sóng duty cycle khi Vref ở mức cao .....................................................15
Hình 2.10 Dạng sóng duty cycle khi Vref ở mức thấp ..................................................15
Hình 2.11 Mạch Buck khi ở trạng thái mở [13] ............................................................18
Hình 2.12 Mạch Buck khi ở trạng thái đóng [13] .........................................................19
Hình 2.13 Mơ tả dạng sóng của cuộn dây trong cả hai trạng thái đóng và mở .............20
Hình 2.14 Bù kiểu I [1]..................................................................................................23
Hình 2.15 Biểu đồ Bode của bù kiểu I. .........................................................................23
Hình 2.16 Bù kiểu II [1] ................................................................................................23
Hình 2.17. Biểu đồ Bode của mạch bù kiểu II [1].........................................................24
Hình 2.18 Mạch bù kiểu III [1]. ....................................................................................25
Hình 3.1 Ba chế độ điều khiển PWM, PFM và Bypass. ...............................................28
Hình 3.2 Dạng sóng của dịng điện cuộn dây khi hoạt động ở chế độ biên giữa liên tục

và khơng liên tục............................................................................................................30
Hình 3.3 Gợn sóng điện áp của mạch Buck [1] ............................................................32
Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch Buck với chế độ Bypass ....................................................34
Hình 3.5 Sơ đồ khối hoạt động của mạch Buck ............................................................35
Hình 3.6 Hiệu suất thay đổi ở hai chế độ PWM và PFM.[19] ......................................36
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của mạch Buck. ...................................................................37
Hình 3.8 Mơ phỏng phase margin của mạch Buck .......................................................38
Hình 3.9 Đáp ứng theo thời gian của mạch Buck khi dịng tải thay đổi .......................39
Hình 3.10 Sơ đồ mạch bandgap.....................................................................................40
Hình 3.11 Sự thay đổi của điện áp tham chiếu với nhiệt độ .........................................41
Hình 3.12 Folded cascode opamp dùng trong mạch bandgap ......................................42
Hình 3.13 (a) đặc tuyến nạp của pin lithium-ion (b) đặc tuyến xả của pin lithium-ion
[22].................................................................................................................................43
Hình 3.14 (a) Mạch RC (b) Mạch dựa vào điện áp ngưỡng của transistor ..................44

xi

Luan van


Hình 3.15. Sự thay đổi của RSTB với điện áp VDD. ...................................................44
Hình 3.16. Mạch phát hiện điện áp ngưỡng dùng kiến trúc bandgap. ..........................45
Hình 3.17 Mạch phát hiện điện áp ngưỡng dựa trên kiến trúc bandgap. ......................46
Hình 3.18 Sơ đồ khối chi tiết của mạch phát hiện điện áp ngưỡng. ..............................47
Hình 3.19 Dạng sóng của mạch phát hiện điện áp ngưỡng. ..........................................48
Hình 3.20 (a) Mạch khởi động mềm (b) Mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi .......................48
Hình 3.21 Dạng sóng mơ tả thời gian khởi động mềm là 250us ...................................49
Hình 3.22 Mạch so sánh ................................................................................................49
Hình 3.23 Mạch cảm biến dịng điện trong thời gian on-time ......................................50
Hình 3.24 Mạch cảm biến dịng điện trong thời gian off-time. .....................................51

Hình 3.25 Opamp 2 tầng dùng trong cảm biến dịng điện. ...........................................52
Hình 3.26 (a) Chế độ hoạt động CCM (b) Dạng sóng khi hoạt động ở CCM ..............54
Hình 3.27 (a) Chế độ hoạt động DCM (b) Dạng sóng khi hoạt động ở DCM ..............55
Hình 3.28 Mạch phát hiện dòng điện khi dòng tải giảm xuống mức 0. ........................56
Hình 3.29 Mạch tạo dao động .......................................................................................57
Hình 3.30 Dạng sóng mạch tạo dao động......................................................................57
Chương 3 mơ tả chi tiết cách thiết kế mạch và sơ đồ khối chi tiết về các chế độ hoạt
động của mạch Buck trong luận văn. Các khối mạch nhỏ cũng được phân tích chi tiết,
đồng thời các tính tốn để chọn cuộn dây và tụ điện. ...................................................57
Hình 4.1 Thay đổi giữa các chế độ của nguồn xung DC/DC ........................................58
Hình 4.2 Sự thay đổi của điện áp ngõ ra với corners khi mạch Buck hoạt động trong
chế độ PWM ..................................................................................................................59
Hình 4.3 Sự thay đổi của điện áp ngõ ra với corners khi mạch Buck hoạt động trong
chế độ PFM ....................................................................................................................59
Hình 4.4 Hiệu suất khi bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động ở chế độ PWM/PFM .........60
Hình 4.5 Hiệu suất khi bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động ở chế độ Bypass.................61

xii

Luan van


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính và nguồn xung .......................................................2
Bảng 1.2 So sánh các nghiên cứu trước đó trên IEEE. ...................................................3
Bảng 3.1 Giá trị các thành phần trong mạch. ................................................................41
Bảng 4.1 So sánh giữa thông số đề xuất và thông số thiết kế .......................................61
Bảng 4.2 so sánh kết quả đạt được trong luận văn so với các nghiên cứu trên IEEE. ..62

xiii

Luan van


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 dịng
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.
Hình 1.1 mơ 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.

Hình 1.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung

1

Luan van


Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính và nguồn xung

Kiểu
Hiệu suất
Phức tạp
Giá thành
EMI / Nhiễu

Nguồn tuyến tính
Buck
Thấp
Thấp
Thấp
Thấp

Nguồn Xung
Buck, Boost, Buck-Boost
Cao
Trung bình -> Cao
Trung bình -> Cao
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 cơng nghệ để chế tạo nguồn xung, tuỳ thuộc vào từng mức điện áp ngõ vào
mà ta có thể lựa chọn các cơng nghệ khác nhau để thiết kế. Trong hình 1.2 mơ 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 (cơng nghệ
22nm, 16nm) thì điện áp mà Mosfet chịu được càng thấp do đó khơng phù hợp với u
cầu điện áp từ pin (3.3V), hơn nữa khi xuống những node cơng 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 cơng nghệ cũ hơn. Do đó để cân bằng giữa giá thành và hiệu năng của mạch thì
tơi lựa chọn cơng nghệ CMOS 65nm.

2

Luan van


Hình 1.2 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.
[16]

[17]

[18]

[24]

Năm

2008

2014

2018

2020

Xuất bản

TPE

JSSC

TVLSI

TCSI

Cơng nghệ (nm)

350

40

350

180

Switching Freq.
(MHz)

0.6

0.1

1.0

7.4

L (uH)

10

220

4.7

1

C (uF)

10

0.167

4.7

2.2

Điện áp ngõ vào
(V)

2.7-5

0.6-1.1

0.55-1.8

2-3.3

Điện áp ngõ ra
(V)

1

0.3-0.55

0.3-0.55

1.2

Dòng điện ngõ
ra tối đa (A)

0.46

0.01

0.003

N/A

Dịng điện ngõ
ra (mA)

50-460

0.05-10

0.001-3

200

Cao/Thấp Hiệu
suất

95%/71%

94%/50%

90.5%/67%

49/91%

Diện tích trên
silicon (mm2)

3.57

0.675

1.12

0.85

PWM/PFM

CCM/DCM

DPWM/PPFM

MSPPWM/PWM/

Chế độ
khiển

điều

Các mạch logic
điều khiển
FOM

PFM
Counter ,
Latch, logic

2Pulse Conv.,
Latch, 1NOT,
2Buf

2DFF, 2AND,

N/A

340

7.2

2.4

140

FOM (Figure of merit) = (Load current range) x [(Max. eff. + min. eff.)/2].
Giá trị của FOM càng lớn thì thiết kế càng tốt.
Ở Bảng 1.2 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 tơi trình bày thiết kế mạch hoạt động trong

3

Luan van


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 cơng 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 dịng tải tối đa thấp.
Thơng qua mơ phỏng khi dịng 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 dịng 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 vịng lặp bằng áp (voltage mode).
1.3 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.
Bảng 1.3 Thông số đề xuất của mạch Buck.
Thông số đề xuất của mạch Buck

4

Luan van


Công nghệ (nm)

65

Switching Freq. (MHz)

0.1-1.0

L (uH)

< 50uH

C (uF)

< 50uF

Điện áp ngõ vào (V)

1.5-3.8

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.
1.4 Tóm tắt đề tài:
1.4.1 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.

5

Luan van


1.4.2 Giới hạn của đề tài:
Đề tài chỉ thiết kế và mô phỏng hệ thống trên Cadence.

-

Không chế tạo chip.

-

Không làm mơ hình thực tế.

1.5 Phương pháp nghiên cứu:
-

Dùng phương pháp mô phỏng để mô phỏng các khối mạch nhỏ và tồn 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.

1.6 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 1.5v đến 3.8v, điện áp ngõ ra 1.5v. 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 tốn các thơng 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

Luan van


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, khơng bị ảnh hưởng bởi dòng
điện trên tải hoặc điện áp ngõ vào. Trong chương này tơi trình bày những phương pháp
chuyển đổi DC/DC và những ưu và nhược điểm của chúng.
2.1 Các phương pháp chuyển đổi DC/DC:
2.1.1 Nguồn tuyến tính:
Nguồn tuyến tính là kiểu nguồn thay vì dùng các cơng tắc, nó dùng cầu chia áp để điều
chỉnh điện áp ngõ ra. Hình 2.1 mơ tả sơ đồ khối của nguồn tuyến tính gồm 2 phần chính:
-

Phần điều chỉnh áp gồm biến trở (thơng 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

Luan van


Hình 2.2 Nguồn tuyến tính
Khơng 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 dịng điện của nó là 5V và 5A, cần 2V tại ngõ ra. Cơng suất thất thốt 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.
2.1.2 Nguồn xung:
Nguồn xung dùng xung để bật tắt các transistor và các thành phần tích năng lượng như
tụ điện và cuộn dây, biến áp để điều chỉnh điện áp ngõ ra. Cấu trúc của nguồn xung bao
gồm 2 phần chính: phần cơng suất và phần điều khiển. Ngày nay các nghiên cứu tập
trung vào phần điều khiển để nâng cao khả năng ổn định điện áp ngõ ra, phần cơng suất
thường khơng có nhiều thay đổi.
Mosfet thường được dùng như công tắc công suất trong mạch nguồn xung. Các công tắc

này không dẫn liên tục và chúng hoạt động dưới một khoảng tần số cụ thể. Vì thế nguồn
xung giúp kéo dài thời gian sử dụng cho các ứng dụng dùng pin và giảm cơng suất thất
thốt trong mạch.

8

Luan van


Hình 2.3 mơ tả sơ đồ khối của mạch nguồn DC/DC gồm 2 phần chính: bộ xử lý cơng
suất và mạch điều khiển hồi tiếp. Mạch điều khiển hồi tiếp sẽ cảm biến điện áp tại ngõ
ra và điều chỉnh cơng suất thơng qua tín hiệu sửa lỗi để giữ ổn định điện áp tại ngõ ra.

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch DC/DC [2].
Phụ thuộc vào các cấu trúc của nguồn xung, nó có thể được dùng để giảm hoặc tăng áp
ngõ ra. Nguồn xung đa số đều có mạch lọc thông thấp tại ngõ ra để giảm nhiễu bởi hoạt
động đóng tắt transistor. Hình 2.4 mơ tả sơ đồ khối của mạch nguồn xung

Hình 2.4 Mạch nguồn xung
2.2 Nguồn xung vs nguồn tuyến tính:
Các lý do dưới đây giải thích nguồn xung là sự lựa chọn hợp lý so với nguồn tuyến tính.

9

Luan van


• Hiệu suất cao:
Nguồn tuyến tính dựa vào sự rớt áp qua transistor để điều chỉnh điện áp ngõ ra. Vì thế
cơng suất thất thốt sẽ chuyển thành nhiệt và yêu cầu thiết bị tản nhiệt lớn để giảm nhiệt

độ của mạch, ngược lại nguồn xung dùng cơng nghệ đóng tắt transistor liên tục do đó
giảm cơng suất thất thốt. Khi đó những transistor này khơng dẫn liên tục (phụ thuộc
vào tần số đóng mở và duty-cycle), do đó nguồn xung có hiệu suất cao hơn so với nguồn
tuyến tính.
Hiệu suất của nguồn xung và nguồn tuyến tính được biểu diễn ở biểu thức (2.1)
η=

Pout
Pin

=

Vout .Iout
Vin .Iin

%

(2.1)

𝑃𝑜𝑢𝑡 : Công suất ngõ ra, 𝑃𝑖𝑛 : Công suất ngõ vào, 𝑉𝑜𝑢𝑡 : Điện áp tại ngõ ra, 𝐼𝑜𝑢𝑡 : dòng điện
tải, 𝑉𝑖𝑛 : điện áp ngõ vào, 𝐼𝑖𝑛 : dòng điện ngõ vào. Đối với nguồn tuyến tính thì 𝐼𝑜𝑢𝑡 =𝐼𝑖𝑛 ,
vì thế biểu thức (2.1) có thể rút gọn thành (2.2) cho nguồn tuyến tính
η=

𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛

(2.2)

Dựa vào biểu thức (2.2), có thể nhanh chóng thấy được là hiệu suất của nguồn tuyến

tính thì trực tiếp liên quan đến cơng suất thất thốt do biến trở. Vì thế khi sự khác nhau
giữa điện áp ngõ ra và ngõ vào càng lớn thì hiệu suất của nguồn tuyến tính giảm đáng
kể từ đó dẫn đến thời gian hoạt động của pin giảm theo.
• Đa dụng:
Năng lượng được giữ tại cuộn dây tại ngõ ra của nguồn xung có thể được biến thành
điện áp ngõ ra, do đó điện áp tại ngõ ra có thể lớn hoặc bé hơn điện áp ngõ vào, thậm
chí có thể chuyển thành điện áp âm, trong khi đó ở nguồn tuyến tính thì điện áp ngõ ra
lúc nào cũng bé hơn điện áp ngõ vào.
• Hạn chế của nguồn xung:
Nguồn xung cũng có những mặt hạn chế của riêng nó, mặc dù kích thước và trọng lượng
của nguồn xung thì nhỏ hơn so với nguồn tuyến tính nhưng nó yêu cầu mạch hồi tiếp
phức tạp để điều khiển so với nguồn tuyến tính để quản lý năng lượng. Điều này sẽ làm
10

Luan van


tăng giá thành của mạch nguồn và làm nguồn xung trở nên đắt hơn so với nguồn tuyến
tính.
Một vấn đề khá quan trọng cần nhắc đến đối với nguồn xung là nhiễu điện từ
(Electromagnetic Interference) gây nên bởi bật tắt với tần số cao các transistor trong
mạch. Điện áp thay đổi nhanh ở cuộn dây dẫn đến sự phát xạ điện trường(radiated
electric fields), dòng điện thay đổi nhanh ở cuộn dây sẽ tạo ra từ trường (magnetic fields)
[9]. Nhiễu ở điện áp ngõ ra tại tần số đóng tắt cũng là 1 vấn đề khác mà cần xử lý với
bộ lọc LC ở ngõ ra.
2.3 Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck:
Mạch hạ áp DC/DC Buck là một dạng của nguồn xung được dùng để hạ áp từ ngõ vào.
Phần điều khiển đóng mở các cơng tắc và phần cơng suất là hai phần chính của mạch.
Nó có thể hoạt động trong chế độ liên tục (Continuous Conduction Mode) hoặc trong
chế độ không liên tục (Discontinuous Conduction Mode) phụ thuộc vào dạng sóng của

dịng điện ở cuộc dây[1]. Chế độ điều khiển bằng áp (Voltage Control Mode) và Chế độ
điều khiển bằng dòng (Current Control Mode) là hai phương pháp chính để điều khiển
đóng mở transistor. Cả hai phương pháp trên có thể sử dụng với cơng nghệ điều chế độ
rộng xung (Pulse width modulation) hoặc điều chế tần số (Pulse frequency modulation).
Phương pháp Điều chế độ rộng xung sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải lớn ngược lại
Điều chế tần số sẽ cho hiệu suất cao khi dòng tải nhỏ.
Hình 2.5 mơ tả mạch hạ áp DC/DC buck, nó bao gồm bộ điều khiển đóng tắt transistor,
cơng tắc công suất 𝑆1 , 𝑆2 , cuộn dây L, tụ điện C, điện trở tải 𝑅𝐿 .

11

Luan van