Ein 97% spitzeneffizientes Single-Induktor-Mehrfach-Ausgang-DC-DC-Wandler mit einem gemeinsamen Bootstrap-Gate-Treiber

核心概念

Ein SIMO-DC-DC-Wandler, der alle erforderlichen Spannungen (Buck und Boost) unter Verwendung von n-Kanal-Transistoren für die Ausgangsschalter erzeugen kann. Das Design verwendet nur einen gemeinsamen Bootstrap-Kondensator und eine einzige Anschlussklemme, um die Oberseite des externen Bootstrap-Kondensators mit den On-Chip-Treibern zu verbinden.

摘要

Der Artikel beschreibt einen SIMO-DC-DC-Wandler, der in der Lage ist, alle erforderlichen Spannungen (Buck und Boost) unter Verwendung von n-Kanal-Transistoren für die Ausgangsschalter zu erzeugen. Das Design verwendet nur einen gemeinsamen Bootstrap-Kondensator und eine einzige Anschlussklemme, um die Oberseite des externen Bootstrap-Kondensators mit den On-Chip-Treibern zu verbinden.
Im konventionellen Design verwendet jeder n-Kanal-Ausgangs-Transistor seinen eigenen großen externen Bootstrap-Kondensator, der 2 zusätzliche Anschlussklemmen pro Ausgang auf dem Chip belegt. Der vorgeschlagene Aufbau verwendet dagegen einen einzigen gemeinsamen Bootstrap-Kondensator zwischen den mehreren Ausgängen, der nur eine zusätzliche Anschlussklemme auf dem Chip für alle Ausgänge erfordert.
Für einen SIMO-DC-DC-Wandler mit N Ausgängen benötigt die vorgeschlagene Struktur N-mal weniger Fläche außerhalb des Chips und 2N-1 weniger Anschlussklemmen auf dem Chip im Vergleich zum konventionellen Design.
Der Betrieb des vorgeschlagenen Treibers erfolgt wie folgt:

Durch Einschalten der Sp- und Sy-Schalter wird der Induktorstrom basierend auf V_in = L * di/dt aufgeladen. Dabei ist die Unterseite des Bootstrap-Kondensators auch mit Masse verbunden, so dass der Bootstrap-Kondensator über die Diode DB auf die erforderliche Spannung V_c aufgeladen wird.
In der nächsten Phase muss einer der Ausgangsschalter eingeschaltet werden, um den Induktorstrom in den Ausgangskondensator zu entladen und seine Spannung zu regeln. Wenn der Ausgangsschalter eingeschaltet ist (d.h. Sout_j) und der Sy-Schalter ausgeschaltet ist, sind die drei Knoten VL+, VS_j und Vout_j gleich und mit der Unterseite des Bootstrap-Kondensators verbunden. Infolgedessen ist die Oberseite des Bootstrap-Kondensators gleich Vout_j+V_c und wird über den Schalter Mp_j mit dem Gate des Ausgangsschalters verbunden.

統計資料

Die Spitzeneffizienz des Wandlers beträgt 97%.
Der Induktorstrom erreicht einen Spitzenwert von etwa 135 mA.
Die Restwelligkeit der gemessenen On-Chip-Ausgangsspannungen von 12 V und 1,8 V beträgt jeweils weniger als 20 mV.

引述

"Für einen SIMO-DC-DC-Wandler mit N Ausgängen benötigt die vorgeschlagene Struktur N-mal weniger Fläche außerhalb des Chips und 2N-1 weniger Anschlussklemmen auf dem Chip im Vergleich zum konventionellen Design."
"Wenn der Ausgangsschalter eingeschaltet ist (d.h. Sout_j) und der Sy-Schalter ausgeschaltet ist, sind die drei Knoten VL+, VS_j und Vout_j gleich und mit der Unterseite des Bootstrap-Kondensators verbunden. Infolgedessen ist die Oberseite des Bootstrap-Kondensators gleich Vout_j+V_c und wird über den Schalter Mp_j mit dem Gate des Ausgangsschalters verbunden."

從以下內容提煉的關鍵洞見

A 97% Peak Efficiency Single-Inductor-Multiple-Output DC-DC Converter with a Shared Bootstrap Gate Driver

by Mohammadreza... 於 arxiv.org 04-09-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.04751.pdf

深入探究

Wie könnte man den Ansatz des gemeinsamen Bootstrap-Kondensators auf andere Topologien von DC-DC-Wandlern erweitern, um die Komplexität und Kosten weiter zu reduzieren

Um den Ansatz des gemeinsamen Bootstrap-Kondensators auf andere Topologien von DC-DC-Wandlern zu erweitern und die Komplexität sowie die Kosten weiter zu reduzieren, könnte man verschiedene Ansätze verfolgen. Eine Möglichkeit wäre die Anwendung dieses Konzepts auf Multi-Output-Buck-Boost-Wandler, bei denen mehrere Ausgangsspannungen erzeugt werden. Durch die gemeinsame Nutzung eines Bootstrap-Kondensators für mehrere Ausgänge könnten die Anzahl der benötigten externen Komponenten und die Chip-Fläche weiter minimiert werden. Darüber hinaus könnte man auch die Idee auf andere Schaltungsarchitekturen wie SEPIC- oder Cuk-Wandler anwenden, um ähnliche Vorteile zu erzielen. Durch die Entwicklung von Schaltungen, die einen gemeinsamen Bootstrap-Kondensator für verschiedene Ausgangsspannungen nutzen, könnten die Gesamtkosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden.

Welche Herausforderungen könnten sich bei der Skalierung des vorgestellten Konzepts auf eine größere Anzahl von Ausgängen ergeben und wie könnte man diese adressieren

Bei der Skalierung des vorgestellten Konzepts auf eine größere Anzahl von Ausgängen könnten verschiedene Herausforderungen auftreten. Eine davon wäre die Verwaltung der Schaltungsanordnung und des Zeitablaufs für eine größere Anzahl von Ausgängen. Mit jedem zusätzlichen Ausgang steigt die Komplexität der Schaltung und die Anforderungen an das Timing. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, könnte man fortschrittliche Steuerungsalgorithmen und präzise Timing-Mechanismen implementieren, um sicherzustellen, dass jeder Ausgang ordnungsgemäß gesteuert wird. Darüber hinaus könnte die Integration von Überwachungsschaltungen und Fehlererkennungssystemen dazu beitragen, potenzielle Probleme frühzeitig zu identifizieren und zu beheben. Durch eine sorgfältige Planung und Simulation könnte die Skalierung auf eine größere Anzahl von Ausgängen erfolgreich bewältigt werden.

Welche zusätzlichen Anwendungen oder Einsatzszenarien könnten von einem hocheffizienten SIMO-DC-DC-Wandler mit gemeinsamer Bootstrap-Ansteuerung profitieren

Ein hocheffizienter SIMO-DC-DC-Wandler mit gemeinsamer Bootstrap-Ansteuerung könnte in verschiedenen Anwendungen und Einsatzszenarien von großem Nutzen sein. Zum Beispiel könnte er in batteriebetriebenen Geräten wie Smartphones, Tablets oder tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt werden, um die Effizienz der Stromversorgung zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern. Darüber hinaus könnte ein solcher Wandler in der Automobilindustrie verwendet werden, um komplexe elektronische Systeme mit mehreren Spannungsversorgungen effizient zu betreiben. Industrieanwendungen, bei denen eine präzise und zuverlässige Stromversorgung erforderlich ist, könnten ebenfalls von einem hocheffizienten SIMO-DC-DC-Wandler profitieren. Insgesamt könnte die breite Anwendung dieses Konzepts in verschiedenen Branchen dazu beitragen, die Energieeffizienz zu steigern und die Kosten für die Stromversorgung zu senken.