Integrated DC-DC converters with time-based control for portable and industrial applications

The ever-increasing demand for high performance DC-DC converters with high efficiency, fast response, small area occupation and high switching frequency, is becoming difficult to meet with analog controllers. Time-based control has been demonstrated to be a preferable alternative to conventional analog and digital controllers, achieving fast transient response with reduced area occupation, as a result of the elimination of the power-hungry error-amplifier (EA) and of the pulse-width-modulator (PWM). Nevertheless, the lack of the PWM, commonly used to implement feedforward control and gain compensation, might be disadvantageous in some application scenarios. This thesis presents a buck converter and a boost converter with time-based control and different strategies to address the limitation induced by the absence of the PWM generator. The buck converter with 5V-to-32V input voltage includes a novel PFM constant-charge control for light-load conditions and an adaptive gain time-based control with line feedforward. Thanks to the proposed techniques the converter shows a constant loop gain GBWP, the best line transient response and the minimum controller area of 0.31-mm2, when compared to wide-input-range converters. The boost converter for AMOLED applications comprises a novel time-based feedback PID (F-PID) which results in a convenient alternative to the conventional PID as it offers an additional path to exploit the line feedforward with negligible impact on the controller area occupation. The proposed boost converter shows the best line transient performance and the minimum controller area of 0.21-mm2, when compared to the best state-of-the-art converters and available commercial products.

La domanda sempre crescente di convertitori DC-DC ad alte prestazioni, caratterizzati da elevata efficienza, risposta rapida, ridotta occupazione di area e alta frequenza di commutazione, sta diventando sempre più difficile da soddisfare con i controllori analogici. Il controllo di tipo time-based si è dimostrato un'alternativa preferibile rispetto ai tradizionali controllori analogici e digitali, garantendo una risposta ai transitori più veloce e una minore occupazione di area, grazie all'eliminazione dell'amplificatore di errore (EA) ad alto consumo energetico e del modulatore di larghezza di impulso (PWM). Tuttavia, l'assenza del PWM, comunemente utilizzato per implementare il controllo feedforward e la compensazione del guadagno, potrebbe risultare svantaggiosa in alcuni scenari applicativi. Questa tesi presenta un convertitore buck e un convertitore boost con controllo time-based e diverse strategie per superare le limitazioni derivanti dall'assenza del generatore PWM. Il convertitore buck, con tensione di ingresso da 5V a 32V, include un innovativo controllo PFM a carica costante per condizioni di basso carico e un controllo basato sul tempo con guadagno adattivo e feedforward di linea. Grazie alle tecniche proposte, il convertitore dimostra un guadagno di anello costante (GBWP), la migliore risposta ai transitori di linea e la minima occupazione di area del controllore, pari a 0,31 mm2, rispetto ai convertitori con ampio intervallo di tensione d’ingresso. Il convertitore boost per applicazioni AMOLED include un innovativo controllo feedback-PID time-based (F-PID), che rappresenta un'alternativa conveniente rispetto al PID convenzionale, poiché offre un ulteriore percorso per sfruttare il feedforward di linea con un impatto trascurabile sull'occupazione di area del controllore. Il convertitore boost proposto mostra le migliori prestazioni in risposta ai transitori di linea e la minima occupazione di area del controllore, pari a 0,21 mm2, rispetto ai migliori convertitori all'avanguardia e ai prodotti commerciali disponibili.