Thiết kế vi mạch buck converter trên công nghệ cmos 180nm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------o0o..................

PHẠM PHÚ CƯỜNG

THIẾT KẾ VI MẠCH BUCK CONVERTER
TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 180NM
Chuyên nghành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 2017

i


Cơng trình được hồn thành tại: trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HOÀNG TRANG
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trương Quang Vinh …………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Minh Sơn…………………………………….
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày
05 tháng 01 năm 2017
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch hội đồng: GS. TS. Lê Tiến Thường .......................................................
2. Thư ký: TS. Trương Công Dung Nghi .................................................................
3. Phản biện 1: TS. Trương Quang Vinh ..................................................................
4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Minh Sơn .....................................................................
5. Ủy viên: TS. Bùi Trọng Tú ..................................................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
nghành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ………… Phạm Phú Cường.......................... MSHV:….13141116 ......
Ngày, tháng, năm sinh: ………..12/12/1985 ............................ Nơi sinh: ….Cần Thơ .....
Chuyên ngành: …………..Kỹ thuật điện tử ............................. Mã số : ….60520203 ....
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH BUCK CONVERTER TRÊN NỀN CÔNG
NGHỆ 180NM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nghiên cứu các phương pháp giảm áp dành cho bộ sạc pin hiện nay. Từ đó chọn

được một bộ giảm áp phù hợp với điều kiện công nghệ CMOS tại Việt Nam.

-

Khảo sát cấu hình của bộ buck hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp. Đề xuất cấu
trúc bộ buck converter và các khối chức năng của bộ buck converter.

-

Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính tốn thơng số lý thuyết của các khối
chức năng trong bộ giảm áp chuyển mạch.

-

Mơ phỏng tồn bộ hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink.

-

Thiết kế mạch buck converter công nghệ 180nm trên phần mềm Cadence Virtuoso
Analog Design.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :…………………06/07/2015 .....................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:………04/12/2016 .....................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : …………….PSG. TS HOÀNG TRANG ........................
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA….………

iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng
Trang, người đã tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Khơng chỉ hỗ trợ về mặt kiến thức và ủng hộ tinh thần, thầy còn tạo điều kiện về
trang thiết bị máy móc, phần mềm để em có thể thực hiện mơ phỏng kết quả luận văn
một cách tốt nhất.
Xin chân thành cảm ơn thầy Trương Quang Vinh và các bạn là thành viên tại
IC Design LAB 116 đã đồng hành và hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu tại
lab.
Cám ơn bạn Nguyễn Minh Hiếu đã hỗ trợ trong những ngày đầu làm quen với
thiết kế vi mạch.
Anh xin cảm ơn vợ và con gái đã cổ vũ và ủng hộ nhiệt tình để anh yên tâm học
tập và nghiên cứu. Cảm ơn ba mẹ và người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong
thời gian học tập xa nhà.
Mặc dù luận văn đã được hoàn thành với tất cả mọi nỗ lực của bản thân, song
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cơ và
các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ….tháng …..năm ….
Tác giả

Phạm Phú Cường

iv


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tiếng Việt:
Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các
thiết bị y sinh cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc
sống. Bộ chuyển đổi điện áp DC sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay
DC regulator) được sử dụng rất rộng rãi trong các bộ sạc của thiết bị di động, biến
đổi các nguồn năng lượng sạch thành điện năng. Khơng chỉ có độ ổn định điện áp và
dịng điện mà nó cịn có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Sự biến đổi năng
lượng từ các bộ chuyển đổi DC DC cấp điện cho một thiết bị hoạt động với điện áp
thấp hơn thường thông qua các nguồn điện như nguồn adaptor; usb port; pin năng
lượng mặt trời hoặc xe điện. Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo
ra nhiều mức điện áp khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và
các ứng dụng trong cùng một hệ thống. Yêu cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau
khi được điều chỉnh phải có độ gợn áp thấp để đảm bảo điện áp ra không đổi và ổn
định theo tải ngõ ra cho phép.
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến bộ chuyên đổi buck giảm áp
điện một chiều bằng phương pháp xung, thực hiện trên mô phỏng hoạt động vi mach
trên nền công nghệ 180nm. Trong báo cáo này, Chương 3 được trình bày tổng quan
so sánh kỹ thuật chuyển đổi điện áp LDO và SMPS , hoạt động bộ chuyển đổi buck,
trình bày phương pháp tính tốn các các linh kiện chính, ổn định tần số. Chương 4,
trình bày tính tốn các thơng số mạch lọc buck theo yêu cầu đặt ra. Chương 5 thực
hiện mô phỏng dạng khối bộ buck với mô hình bù loại 3, với mục tiêu định hướng
các tham số trước khi thiết kế khối chức năng vi mạch cần thiết trong Chương 6.
Chương 7 trình bày quá trình mô phỏng và kết quả thực hiện. Chương 8, kết luận của
tác giả và hướng phát triển đề tài.
Luận văn đã thực hiện thành công mô phỏng bộ chuyển đổi buck trên hai cấp
độ dạng khối trên Matlab và mô phỏng vi mạch bằng phần meemfm Cadence sử dụng
mạch bù tần số loại 3. Mô phỏng thực hiện trên thư viện vi mạch 180nm CMOS
TSMC 1P6M cho hiệu suất 80% có khả năng chuyển đổi điện áp từ 5V đến 40V

v

thành 3.3V ± 6mV, với tải đạt 500mA ± 1mA. Tần số chuyển mạch của bộ chuyển
đổi 2MHz, phần lõi vi mạch điều khiển hoạt động điện áp 1.8V.
English
In the 21st century, the fast growing demand of portable and battery-operated
electronic systems has driven the efforts to reduce power consumption or to improve
the efficiency of these electronic equipments. Regulators are essential for most
electrically powered systems which include the prevalent chargeable equipments and
DC power converter. Regulators are required to reduce the voltage variations from
USB port, solar cell, lead acid battery, etc. Besides, regulators are often utilized to
provide a lower voltage from a higher input voltage for power reduction. Current
trend in portable or battery-powered electronics demands high operating efficiency to
prolong the service time of these battery-operated equipments. Switched Mode
Power Supply (SMPS) is the most prevailing architecture for DC power supply in the
systems, primarily for its capability to handle variable loads. Thank to development
of integrated circuit technology, the power stages converter are driven by a low
power consumption controller in CMOS level for small design, high speed and
efficiency.
In this work, the buck converter system using compensation type 3 is
implemented in both Matlab/Simulink and Virtuoso Cadence with nearly the same
results. Simulations are done on 180nm CMOS TSMC 1P6M and show the
efficiency with 80%, the converter generate output voltage 3.3V ± 6mV and max
load current 500mA ± 1mA from 5 – 40V input at the switching frequency of 2MHz.
The controller work with power supply 1.8V voltage.

vi


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng:
Mọi số liệu và kết quả trình bày trong luận văn thạc sĩ này là hồn tồn trung
thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Phú Cường

vii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................ x
1.1

Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1

1.2

Mục đích nghiên cứu: ................................................................................... 3

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ................................................................ 3

1.3.1

Đối tượng nghiên cứu: ........................................................................... 3

1.3.2

Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................. 3

1.4

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .......................................................... 3

1.4.1

Ý nghĩa khoa học ................................................................................... 3

1.4.2

Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ........................................................ 10
2.1

Tình hình nghiên cứu ngồi nước ............................................................... 10

2.2

Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................ 11

2.3

Nhiệm vụ của luận văn: .............................................................................. 12

2.3.1

Mục tiêu luận văn ................................................................................ 12

2.3.2

Nhiệm vụ luận văn ............................................................................... 13

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
MỘT CHIỀU
3.1

Các phương pháp chuyển đổi điện áp một chiều ......................................... 15

3.1.1

Giảm áp tuyến tính (LDO) ................................................................... 15

3.1.2

Bộ nguồn xung (SMPS) ....................................................................... 17

3.2

Bộ chuyển đổi buck .................................................................................... 18

3.2.1

Hoạt động: ........................................................................................... 18

3.2.2

Các thành phần cơ bản của mạch chuyển đổi buck: .............................. 21

3.2.3

Ổn định tần số và mạch bù tần số loại 3 ............................................... 31

3.3

Đặc tả kỹ thuật cho đề tài ........................................................................... 36

3.3.1

Điện áp nguồn cấp ............................................................................... 36

3.3.2

Công nghệ CMOS 180nm .................................................................... 37

CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THƠNG SỐ TẦNG CƠNG SUẤT .......................... 33
4.1

Thơng số đề xuất: ....................................................................................... 33

4.1.1

Duty cycle (D): .................................................................................... 33

4.1.2

Gợn dòng qua cuộn dây (ΔIL): ............................................................. 34

viii


4.1.3

Chọn cuộn dây ..................................................................................... 34

4.1.4

Chọn tụ điện ngõ ra.............................................................................. 35

4.2

Khảo sát đáp ứng tần số .............................................................................. 36

4.2.1

Khảo sát đáp ứng bước. ....................................................................... 36

4.2.2

Khảo sát độ ổn định của bộ lọc buck: ................................................... 37

CHƯƠNG 5
MƠ HÌNH CHUYỂN ĐỔI BUCK TRÊN
MATLAB/SIMULINKS ........................................................................................ 40
5.1

Mô phỏng khối công suất ........................................................................... 40

5.2

Mô phỏng khối điều chế xung .................................................................... 42

5.3

Phân tính đặc tính tần số của bộ lọc buck: .................................................. 43

5.4

Thiết kế mạch bù loại 3 .............................................................................. 44

CHƯƠNG 6

THIẾT KẾ VI MẠCH CÁC KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ...... 49

6.1

Mạch tạo xung dao động: ........................................................................... 49

6.2

Mạch lọc răng cưa ...................................................................................... 51

6.3

Comparator ................................................................................................ 52

6.4

Mạch dịch mức (Level Shifter) ................................................................... 55

6.5

Thiết kế mạch chống chồng lấp xung: ........................................................ 56

6.6

Thiết kế MOSFET công suất dạng ngăn xếp. .............................................. 58

6.7

Mạch điệm: ................................................................................................ 60

6.8

Thiết kế mạch vi sai và mạch bù loại 3: ...................................................... 61

6.8.1

Thiết kế Opam ..................................................................................... 61

6.8.2

Thiết kế mạch bù loại 3:....................................................................... 63

CHƯƠNG 7
7.1

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ....................................................... 66

Đánh giá độ bù pha của hệ thống vòng hở trước và sau khi qua bộ bù 3 ..... 66

7.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống chuyển đổi buck với các giá trị điện áp vào
khác nhau. ........................................................................................................... 68
7.2.1

Đáp ứng ngõ ra vout theo thời gian: ....................................................... 68

7.3

Line Regulation: ......................................................................................... 72

7.4

Load Regulation. ........................................................................................ 72

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 74
8.1

Kết luận:..................................................................................................... 74

8.2

Hướng phát triển trong tương lai ................................................................ 75

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Sự phân bố điện áp một chiều trong hệ thống SOCs
Hình 1-2. Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều
Hình 2-1. Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho
ứng dụng di động, hoặc cấp nguồn khối vi điều khiển.
Hình 2-2. Qui trình thiết kế vi mạch tương tự
Hình 3-1. : Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng VCCS
Hình 3-2. Dạng mạch cơ bản của bộ ổn áp tuyến tính sau chỉnh lưu
Hình 3-3: Mạch buck converter
Hình 3-4: Mạch buck cơ bản
Hình 3-5: Dịng điện qua cuộn dây IL ở trạng thái xác lập
Hình 3-6. Dòng điện qua cuộn dây qui định trạng thái CCM(a) hay DCM (b)
Hình 3-7. Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi buck dùng MOSFET.
Hình 3-8. Dịng dẫn qua hai MOSFET tăng vọt khi Q1 và Q2 đều dẫn
Hình 3-9. Mạch lái dùng cổng NOT có dạng Taper Buffer
Hình 3-10: Dịng qua cuộn dây ở trạng thái xác lập
Hình 3-11: Mạch buck khi Q1 đóng, Q2 ngưng dẫn
Hình 3-12: Mạch Buck khi Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn
Hình 3-13. Đồ thị biểu diễn dòng điện qua cuộn dây (a) và dòng điện qua tụ điện (b)
Hình 3-14: Sự vọt lố và gợn áp ở ngõ ra khi thay đổi tải.
Hình 3-15: Mạch Buck converter trong trạng thái Q1 mở có tụ điện ngõ vào
Hình 3-16. Dùng cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ ra
Hình 3-17. Mạch khuếch đại vi sai và mạch điều chế xung
Hình 3-18. Ngun lí điều chế xung
Hình 3-19. Sơ đồ dạng khối bộ chuyển đổi buck
Hình 3-20. Đáp ứng tần số của khối mạch lọc buck
Hình 3-21. Mạch bù tần số loại 2
Hình 3-22. Đáp ứng tần số mạch bù loại 2
Hình 3-23. Mạch bù tần số loại 3

x


Hình 3-24. Đáp ứng tần số mạch bù loại 3
Hình 4-1: Sự vọt lố của điện áp ngõ ra khi thay đổi tải.
Hình 4-2. Mạch khảo sát đáp ứng bước và đáp ứng tần số
Hình 4-3. Khảo sát đáp ứng bước chọn giá trị C và L.
Hình 4-4. Đáp ứng bước của bộ lọc đã chọn
Hình 4-5. Testbench khảo sát độ ổn định của bộ lọc
Hình 4-6. Dạng sóng lần lượt dòng qua cuộn dây; dòng qua tải; gợn áp; xung tác
động; dịng điện do chuyển mức
Hình 4-7. Đặc tính mạch lọc buck khi điện áp vào thay đổi
Hình 4-8. Dòng điện qua MOSFET trong trường hợp chồng lấp xung của NMOS và
PMOS(a) và khơng chồng lấp (b)
Hình 5-1. Các khối mơ phỏng trên SIMULINK
Hình 5-2. Mơ hình tốn học của chuyển đổi buck thơng qua các khối
Hình 5-3. Tạo xung điều độ rộng PWM
Hình 5-4. Tạo xung dương tam giác
Hình 5-5. Tham số bộ bộ tạo răng cưa.
Hình 5-6. Đáp ứng tần số theo độ lợi và pha
Hình 5-7. Đáp ứng dịng điện tải của bộ buck chưa có bộ bù (Vin =5V; D=0.66V;
Vo=3.3V)
Hình 5-8. Các tham số mạch bù được mơ hình bằng hàm truyền bởi cực và zero
Hình 5-9. Đáp ứng tần số của mạch bù loại 3 và vịng lập hệ thống kín thơng qua mơ
phỏng MATLAB/Simulink.
Hình 5-10. Đáp ứng của bộ chuyển đổi buck khi có bù loại 3
Hình 5-11. Các đáp ứng do chuyển mức tải (10mA đến 500mA và ngược lại)
Hình 5-12. Đáp ứng thay đổi điện áp (5 40V)
Hình 5-13. Sự thay đổi gợn áp trong q trình mơ phỏng
Hình 5-14. Đo thời gian khởi động hệ thống đến khi ổn đinh.

Hình 5-15. Khối điện áp tham chiếu được thay bằng khối soft-start.
Hình 5-16. Điện áp ngõ ra tăng đều và giảm vọt lố so với Hình 5-14.
Hình 6-1. Mạch dao động dạng vòng sử dụng N số lẻ cổng đảo

xi


Hình 6-2. Bộ tạo xung dao động
Hình 6-3. Dạng sóng ngõ ra của bộ tạo xung
Hình 6-4. Kiến trúc mạch lọc tạo xung tam giác
Hình 6-5. Mạch lọc răng cưa
Hình 6-6. Testbench khảo sát thơng số mạch lọc
Hình 6-7. Đáp ứng trans của mạch lọc với điện áp phân cực vbias = 900mV
Hình 6-8. Kiến trúc comparator tạo xung điều chế
Hình 6-9. Mơ phỏng đáp ứng tần số và đặc tuyến DC của comparator
Hình 6-10. Testbench xác định giới hạn độ rộng xung
Hình 6-11. Xung điều chế với điện áp so sánh Vea = 914mV
Hình 6-12. Khoảng cách gần nhất hai xung rộng nhất và bề rộng xung hẹp nhất
Hình 6-13. Mạch dịch mức
Hình 6-14. Đồ thị chuyển mức ngõ vào vin xuống thấp, thời gian chuyển mức tf =
118ps
Hình 6-15. Tín hiệu vào vin; tín hiệu ra vo; tín hiệu chuyển mức shifted_vo
Hình 6-16. Đáp ứng mạch dịch mức khi điện áp thay đổi từ 5V đến 40V trong 20us
Hình 6-17. Dịng điện do sự chuyển mức.
Hình 6-18. Sự chồng lấp hai xung gây ra dịng vọt lố
Hình 6-19. Cấu hình mạch tạo xung khơng chồng lấp
Hình 6-20. Hai xung khơng chồng lấp từ thiết kế
Hình 6-21. Kiến trúc cổng NOT (a) và cổng NOR (b)
Hình 6-22. Khối mạch Stacked MOSFET Push Pull
Hình 6-23. Dạng sóng ngõ ra MOSFET cơng suất với điện áp cung cấp 5V, tải 100Ω

Hình 6-24. Đáp ứng ngõ ra ứng với điện áp cung cấp 40V, tải 6.6 Ohm
Hình 6-25. Thiết kế khối mạch đệm có dạng nhiều tầng cổng NOT
Hình 6-26. Cấu hình OPAMP hai tầng
Hình 6-28. Mơ phỏng đặc tuyến AC và đặc tuyến DC ngõ ra
Hình 6-29. Đáp ứng sin
Hình 6-30. Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp vào 40V và dòng tải 500mA

xii


Hình 6-31. Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp 40V và khơng dịng tải
Hình 7-1. Hệ thống mạch chuyển đổi buck với mạch bù loại 3
Hình 7-2. Testbench đánh giá độ bù pha và biên độ của bộ bù loại 3
Hình 7-3. Đồ thị biểu diễn đáp ứng ngõ ra vout và ngõ ra mạch vi sai theo tần số
Hình 7-4. Nguồn lý tưởng sử dụng
Hình 7-5. Ngõ ra theo thời gian điện áp cung cấp Vsuppply = 8V, dịng tải Iout =
500mA.
Hình 7-6. Đáp ứng ngõ ra theo thời gian tại điện áp nguồn 20V, dòng tải 500mA.
Hình 7-7. Đặc tuyến hiệu suất theo điện áp cung cấp tương ứng các mức tải
Hình 7-8. Đặc tuyến hiệu suất theo tải tiêu thụ ứng với hai mức điện áp cấp là 7V và
24V
Hình 7-9. Độ biến đổi gợn áp
Hình 7-10. Sự thay đổi chu kỳ tác vụ D, hay thời gian mở của PMOS cơng suất
Hình 7-11. Đáp ứng bước điện áp Vsupply (10V đến 20V tốc độ 1V/us)
Hình 7-12. Đáp ứng bước ngõ ra phóng gần trong khoảng 100us đến 170us.
Hình 7-13. Đáp ứng ngõ ra vout khi thay đổi dòng trên tải.

xiii

DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 3-1. Bảng so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa LDO và SMPS
Bảng 3-2. Các linh kiện MOSFET trong thư viện 180nm TSMC 1P6M
Bảng 3-3. Một số tham số của thư viện pmos phân bố theo W và L
Bảng 4-1. Bảng thông số bộ chuyển đổi buck đề xuất thực hiện
Bảng 4-2. Tính thời gian bật và tắt của MOSFET công suất
Bảng 4-3. Xác định các giá trị cuộn dây theo điện áp
Bảng 4-4. Tham số tụ điện´
Bảng 4-5. Tham số bộ lọc buck
Bảng 5-1. Tham số yêu cầu của bộ buck
Bảng 5-2 Các giá trị được tính ở bộ lọc buck
Bảng 5-3. Các giá trị cực và zero của mạch bù loại 3
Bảng 6-1. Thông số bộ tạo dao động
Bảng 6-2. Bảng giá trị kích thước bộ tạo xung
Bảng 6-3. Bảng giá trị mạch lọc
Bảng 6-4. Thông số CMOS của bộ so sánh
Bảng 6-5. Độ biến thiên độ rộng xung của khối PWM
Bảng 6-6. Thông số mạch dịch mức
Bảng 6-7. Thông số cổng NOT và cổng NOR
Bảng 6-8. Thông số tầng MOSFET công suất
Bảng 6-9. Thông số mạch điệm
Bảng 6-10. Thông số kỹ thuật OPAMP
Bảng 6-11. Thông số của OPAMP 2 tầng
Bảng 6-12. Tham số cực và zero của mạch bù loại 3
Bảng 6-13. Các giá trị linh kiện trong mạch bù loại 3

xiv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SMPS

Switching mode power supply

LDO

Linear Dropout Voltage Regulation

VMC

Voltage Mode Control

CMC

Current Mode Control

CCM

Continuous Conduction Mode

DCM

Discontinous Conduction Mode

CMOS

Complementary Metal-OxideSemiconductor

PWM

Pulse Width Modulation

PFM

Pulse Frequency Modulation

VCCS

Voltage Controlled Current Source

xi


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các
thiết bị y sinh cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc
sống. Bộ chuyển đổi điện áp DC sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay
DC regulator) trở thành một bộ phận rất quan trọng chuyển hóa năng lượng pin cấp
nguồn cho các thiết bị di động trên. Bên cạnh đó, các pin cấp nguồn thường sử dụng
pin sạc và được sạc từ các nguồn adaptor; usb port; pin năng lượng mặt trời hoặc xe
điện thường có điện áp cao hơn so với điện áp cung cấp của pin.

Adaptor/ USB port

Hình 1-1. Sự phân bố điện áp một chiều trong hệ thống SOCs [1]

1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo ra nhiều mức điện áp
khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong
cùng một hệ thống [2]. Yêu cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau khi được điều
chỉnh phải có độ gợn áp thấp để đảm bảo điện áp ra không đổi và ổn định theo tải
ngõ ra cho phép.
Một khối mạch điều chỉnh điện áp thường được mô tả bằng hình dưới:
Input Power

Output Power
Power Circuit

Vin

Vout

Iout

Iin

Load

Control signal
Vref

Error Amplifier
& Compensator
Hình 1-2. Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều

Nguyên lý biến đổi điện áp: Chuyển từ công suất ngõ vào thành công suất ở
ngõ ra với biến đổi về dòng Iout và áp ngõ ra Vout. Để giữ điện áp ngõ ra không đổi,
trong hệ thống sử dụng mạch hồi tiếp về khối so sánh và bù theo điện áp tham chiếu.
Từ đó một tín hiệu điều khiển sẽ tác động vào mạch công suất. nơi thực hiện chuyển
đổi điện áp và dòng sao cho đúng với yêu cầu của hệ thống. Một bộ chuyển đổi điện
áp có hiệu suất cao khi công suất ngõ ra gần bằng với công suất ngõ vào.
Kỹ thuật điều chỉnh điện áp thường sử dụng 2 kỹ thuật chính là kỹ thuật điều
chỉnh tuyến tính (LDO_Linear dropout regulator) và kỹ thuật nguồn xung
(SMPS_Switching mode power supply). Trong đó kỹ thuật nguồn xung nổi trội hơn
với hiệu suất cao.
Ở Việt Nam, sự phát triển công nghệ vi mạch đang triển mạnh trong lĩnh vực
gia công và thiết kế chip, bên cạnh các đề tài nghiên cứu về thiết kế chip xử lí âm

2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hồng Trang

thanh, hình ảnh… Nhu cầu thiết kế bộ nguồn xung dạng vi mạch tích hợp trong các
chip xử lí nhằm cung cấp năng lượng cho các hoạt động của vi mạch trên chip. Xuất
phát từ nhu cầu cấp thiết đó, tơi xin chọn đề tài: “Thiết kế mạch giảm áp xung một

chiều (buck converter) hiệu suất cao sử dụng công nghệ vi mạch 180nm”.
1.2 Mục đích nghiên cứu:
Thực hiện thành cơng thiết kế bộ giảm áp một chiều điều khiển xung Buck
converter trên nên công nghệ vi mạch 180nm biến đổi điện áp 5 – 40 V thành 3.3V
với dòng điện trên tải không dưới 500mA, gợn áp khoảng 10% điện áp ngõ ra Vout,
và gợn dòng 30% dòng điện trên tải. Và hiệu suất hệ thống trên 80%.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:
- Mơ hình CMOS 180nm các tham số sử dụng để thiết kế.
- Phần mềm Matlab: Hệ thống buck converter trên nền Matlab/Simulink.
- Nguồn ổn áp xung dạng vi mạch: Khối công suất, hồi tiếp, bộ tạo dao động, bộ tạo
răng cưa, bộ khuếch đại so sánh và các loại mạch bù, thiết kế MOS công suất.
- Các phương pháp cải tiến hoặc khối chức năng nhằm cải tiến hiệu suất.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:
- Bộ Buck Converter điều khiển thông qua hồi tiếp điện áp.
- Các tham số cơ bản process CMOS 180nm dùng trong thiết kế
- Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Virtuoso Candence 6.15.
1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.1 Ý nghĩa khoa học
-

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm phong phú thư viện vi mạch sử
dụng công nghệ 180nm tại Việt Nam.

-

Là cơ sở để ứng dụng, cải tiến và hoàn chỉnh hệ thống trong các hệ thống vi mạch
thực tế, góp phần làm phong phú thư viện vi mạch trong nước.

3

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Với điện áp điều khiển cao từ 5V đến 40V chuyển thành mức điện áp 3.3V với
dòng tải đạt 500mA có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống hiện đại ở Việt Nam
như ứng dụng pin mặt trời, xe điện và điều khiển LED.

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Các mạch chuyển đổi điện áp bằng phương pháp xung được nghiên cứu rất sớm.
Trong [3], M. Cuk đã phân tích mơ hình hố và thiết kế các bộ chuyển đổi điện áp
một chiều. Từ đó nhiều đề tài được thực hiện dựa trên việc phân tích khơng gian
trạng thái và mơ phỏng hệ thống chuyển đổi buck. Bằng phương pháp mô hình hố
hệ thống dạng giải tích, phân tích khơng gian trạng thái khối công suất và các mạch
điều khiển dùng áp hoặc dùng dịng điện [4], Kasat đã mơ phỏng thành công trên
Matlab với thông số hệ thống điện áp ngõ vào 15-25V, điện áp ngõ ra được điều
chỉnh 5V, gợn áp <2%, mạch vi sai hoạt động ở tần số 250KHz. Trong năm 2013,
Cheng Peng và Chia JIU Wang dùng simscape MATLAB mô phỏng thành công hệ
thống buck converter thơng qua hai chế độ PWM/PFM [5] với mục đích so sánh hiệu

suất chuyển mạch chế độ PWM và PFM cải thiện hiệu suất của bộ buck khi ở chế độ
tải thấp.
Bên cạnh việc khai thác triệt để các đặc tính của hệ thống chuyển đổi buck, các
hệ thống vi mạch chuyển đổi buck cũng được phát triển mạnh mẽ với hiệu suất liên
tục cải thiện. Năm 2005 [6], Yoeng-Tsair Lin và cộng sự thiết kế thành công bộ
chuyển đổi giảm áp DC-DC converter bằng kỹ thuật điều chế xung PWM được điều
khiển bộ khuếch đại vi sai bù loại 2, kết quả đề tài thực hiện giảm áp 3.3V xuống 1.0
đến 2.0V sử dụng công nghệ CMOS 350nm với hiệu suất 85% khi công suất ngõ ra
dao động trong khoảng 100 đến 900mW, tần số chuyển mạch 1MHz. Năm 2007, [7]
Edoardo Bonizzonil và cộng sự của mình đã mở rộng điện áp hiệu chỉnh 2.6V đến
5V trên vi mạch chuyển đổi buck sử dụng mạch khuếch đại vi sai và bù loại 1, cùng
với chỉ dùng một cuộn dây tạo hai điện áp ngõ ra cố định có khả năng thay đổi từ
1.2V đến 5V hiệu suất có thể cực đại lên đến 93%, với tần số 1MHz, tuy nhiên tải
mạch ngoài chỉ đạt 200mA, tụ điện và cuộn dây sử dụng ngoài phần điều khiển. Tiếp
tục mở rộng điện áp điều chỉnh 5V đến 10V [8], Rosario Pagano và cộng sự phát
triển thành công bộ chuyển đổi vi mạch buck dùng sạc pin Li-Ion dùng cho các thiết
bị khơng dây dựa trên kỹ thuật hồi tiếp dịng điện và mạch hồi tiếp điện áp bù loại 3

10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

cho điện áp ngõ ra thay đổi trong khoảng 2.1V đến 4.2V, hiệu suất đạt 86% trong tần
số chuyển mạch 2.2MHz, dòng điện đạt 900mA sai lệch 9.4% ở 10V, sử dụng công
nghệ 180nm. Năm 2014, Yao Quian công bố bộ chuyển đổi của nhóm nghiên cứu có
khả năng lựa chọn hoạt động điều khiển PWM bằng hồi tiếp điện áp bù loại 3 hay
PFM bằng hồi tiếp dòng điện qua cuộn dây nhằm cải thiện hiệu suất khi mạch hoạt

động ở công suất thấp, hệ thống của tác giả có khả năng chuyển đổi điện áp từ 2.7V
đến 5.5V ra điện áp 0.6V đến 5.5V hiệu suất cực đại đạt 94%, dòng điện cung cấp đạt
2000mA.
2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Mạch giảm áp xung buck converter đã được nghiên cứu qua một số đề tài trong
nước [9], [10] các đề tài chủ yếu mô phỏng Matlab/Simulink hoặc được thiết kế bộ
buck với linh kiện có sẵn. Trong những năm gần đây, khi ngành thiết kế vi mạch phát
triển xuất hiện đề tài thiết kế vi mạch điện áp thấp [11] sử dụng kết hợp kỹ thuật
PWM/PFM và bypass hoặc thiết kế bộ buck trong ứng dụng điều khiển LED công
suất [12].

11


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

2.3 Nhiệm vụ của luận văn:
2.3.1 Mục tiêu luận văn
CAR
BATTERY

3.3V
APPLICATIONS

SOLAR CELLS

Industrial
supply

BUCK CONVERTER

MCU

USB SUPPLY

Portable
devices

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Vin

L

Vout

S1

ESR
DRIVER

S2

C

OFF CHIP

RLOAD

ESR

Ramp wave

Vout
Comparator

k

ERROR AMPLIFIFER &
COMPENSATION

Vref

Hình 2-1. Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng
di động, hoặc cấp nguồn khối vi điều khiển.

Mạch chuyển đổi buck điều chỉnh điện áp cao thành điện áp thấp được ứng
dụng rất nhiều trong các khối vi mạch, là một thành phần quan trong trong khối
nguồn của các của các thiết bị di động, mạch sạc pin điện thoại acquy. Các bộ chuyển
đổi buck được sử dụng nhằm cải thiện hiệu suất giảm áp, tiết kiệm năng lượng bảo vệ
mơi trường. Bên cạnh đó với sự phát triển ứng dụng từ nguồn năng lượng sạch và tiết
kiệm như sặc pin từ năng lượng mặt trời, hệ thống chuyển đổi năng lượng trong các
hệ thống xe điện, xe lai thì mạch giảm áp buck đóng vay trò quan trọng để chuyển

12


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

đổi điện áp cao từ các nguồn điện áp này thành mức điện áp cho các thiết bị di động
nhỏ gọn, hoặc cấp nguồn có các mạch ứng dụng trong hệ thống trên. Sơ đồ Hình 2-1
mơ tả các khối cơ bản của hệ thống chuyển đổi buck, trong đề tài luận văn này sẽ tập
trung thiết kế vi mạch (màu xanh) gồm có: hệ thống điều khiển MOS S1 và S2, đồng
thời tích hợp hai MOS cơng suất này trong hệ thống vi mạch, riêng phần mạch công
suất chức năng buck (màu cam) sẽ được tính tốn để mơ phỏng.
2.3.2 Nhiệm vụ luận văn
Nhiệm vụ của luận văn được xây dựng trên qui trình thiết kế vi mạch tương tự
được mơ tả bởi Hình 2-2. Phần thiết kế có thể chia làm 2 qui trình tuần tự là thiết kế
thơng số hệ thống chung, sau đó thiết kế các module chức năng với các thơng số phù
hợp cho hệ thống, có thể thực hiện mơ phỏng Matlab để tìm thơng số lý tưởng hệ
thống hoặc định hướng kiến trúc mạch thiết kế. Sau khi có thơng số từng khối chức
năng thì bắt đầu thực hiện tính tốn bằng tay trên mơ hình mạch thực tế tương ứng
với từng chức năng của các khối (hand calculation). Trong giai đoạn này cần phải
trích xuất các tham số của thư viện CMOS sử dụng để tính tốn.
Sau khi có thơng số các khối tương ứng với các mơ hình mạch thực tế sử dụng,
bắt đầu mô phỏng bằng các công cụ mô phỏng Spectre trong Cadence Virtuoso để
kiểm tra các thông số kỹ thuật thiết kế. So sánh với thông số thiết kế và kết quả mô
phỏng thông qua nguyên lý hoạt động của kiến trúc mạch sử dụng để thực hiện hiệu
chỉnh. Kết hợp thiết kế testbench và khảo sát lại đặc tuyến của các CMOS trong điều
kiện hoạt động để có thể chọn được tham số phù hợp với thiết kế khối.
Cuối cùng sau khi hoàn thành thiết kế mạch buck ở cấp độ CMOS thì thực
hiện thiết kế layout hay cịn gọi là thiết kế vật lý. Tuy nhiên do hạn chế công cụ và
kinh nghiệm layout mạch. Nên luận văn chỉ dừng lại phần mô phỏng vi mạch ở cấp
độ CMOS bằng phần mềm Virtuoso Cadence.

13

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hồng Trang

Hình 2-2. Qui trình thiết kế vi mạch tương tự [13]

Theo qui trình trên thì nhiệm vụ của luận văn sẽ gồm có các phần sau:
-

Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của mạch chuyển đổi buck và mô phỏng hoạt
động các khối cơ bản của bộ buck converter trên phần mềm Simulink/ Matlab

-

Thiết kế CMOS level mạch buck trên công nghệ CMOS TSMC 180nm.

-

Bảng đặc tả thông số kỹ thuật mô phỏng của mạch buck.

-

Bảng so sánh với các thiết kế đã công bố.

14


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 3 . TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
MỘT CHIỀU
3.1 Các phương pháp chuyển đổi điện áp một chiều
Biến đổi điện áp một chiều DC có bản chất là sự chuyển đổi năng lượng một
chiều thông qua điều chỉnh sự tương quan giữa mối quan hệ điện áp và dòng điện ở
ngõ vào và ngõ ra. Trong đó, SMPS và LDO là hai phương pháp được sử dụng chủ
yếu trong các mạch biến đổi DC-DC.
3.1.1 Giảm áp tuyến tính (LDO)
Mơ hình điều chỉnh điện áp tuyến tính có cấu trúc như Hình 3-1, là một mạch
phân áp để điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi giá trị biến trở. Mạch ổn áp
tuyến tính gồm có hai phần chính: phần điều chỉnh điện áp được sử dụng như là một
biến trở (thường là transistor công suất được phân cực hoạt động trong vùng tuyến
tính) nối tiếp với tải ngõ ra. Khi điện áp vào Vin thay đổi sẻ ảnh hưởng đến giá trị
điện áp ngõ ra Vo. Sự thay đổi điện áp ở ngõ ra Vo sẽ được hồi tiếp dạng để điều
khiển trạng thái dẫn của transistor, và cho dịng qua transistor vào mạch ngồi mạnh
lên hay yếu đi. Phương thức điều khiển này có dạng VCCS (Voltage Controlled
Current Source) điện áp ngõ ra Vo được so sánh với điện áp ngưỡng đặt trước Vref để
điều khiển nguồn dòng Is sao cho điện áp ra bằng với điện áp ngưỡng.

Hình 3-1. : Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng VCCS [14]

15