Highlights von der ISSCC 2023

Powermanagement at its best

22. Mai 2023, 8:00 Uhr | Iris Stroh

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

DC-DC-Converter

Auch das zweite Highlight im Bereich Powermanagement kommt vom Ulsan National Institute of Science and Technology, in diesem Fall in Zusammenarbeit mit Samsung Electronics. Dabei geht es um mehrstufige DC/DC-Aufwärtswandler.

DC-DC-Aufwärtswandler werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe Versorgungsspannung erfordern. Ein mehrstufiger (ML, Multi Level) Aufwärtswandler (BST, Boost Converter) mit hoher Wandlungsverstärkung (CG, Conversion Gain) und niedriger Spannung für die Schalter (SWs) wäre eine ideale Lösung zur Regelung der hohen Ausgangsspannung (V_OUT). In der Praxis leiden ML-Wandler jedoch unter der Unsymmetrie der Flying-Capacitor-Spannungen (V_CF) – zum Beispiel aufgrund der parasitären Kapazität (C_par) und der Gate-Treiberleistung (P_GD). Das führt nicht nur zu großen Leitungsverlusten (P_COND) im Einschaltwiderstand (R_ON) der Schalter, sondern kann auch zu einer Beschädigung der Schalter führen.

Aus diesen Gründen ist eine V_CF-Kalibrierungstechnik (V_CF-cal) für den ML-Wandler unerlässlich. Insbesondere benötigen mehrstufige Aufwärtswandler im Gegensatz zu mehrstufigen Abwärtswandler eine schnellere VCF-Kalibrierung, da die Referenzspannung des V_CF (V_CF, R_EF) V_OUT ist, die sich abrupt ändern kann. Für den Ausgleich der V_CF wurde in früheren Arbeiten die Dauer der Lade- und Entladephase (ΦCH, ΦDIS) der fliegenden Kondensatoren angepasst, was aber zu subharmonischen Schwingungen im Induktionsstrom (IL) führte, wodurch die Leitungsverluste (P_COND) stiegen. Da es zu Ausfällen und Zuverlässigkeitsproblemen bei den Transistoren kommen kann, ist es bislang schwierig, mehrstufige Aufwärtswandler in Serie zu produzieren. Außerdem ist für die Stabilität der V_CF-cal-Schleife ein zusätzlicher Kompensator erforderlich, der sperrige passive Bauteile verwendet.

Inzwischen wird bei Leistungswandlern die Current-Mode-Regelung (CMC) aufgrund ihrer vielen Vorteile – wie schnelle dynamische Leistung, Überstromschutz usw. – bevorzugt. Bei MLBST ist sie jedoch nur schwer anwendbar, da Probleme bei den Übergängen zwischen den Betriebsmodi auftreten. In einem dreistufigen Aufwärtswandler (3L-BST) gibt es zwei Betriebsarten, Modus-1 (ΦM1) und Modus-2 (ΦM2). Frühere Arbeiten zu dreistufigen Wandlern mit Current-Mode-Control wechselten auf Basis eines Signals zwischen ΦM1 und ΦM2 hin und her, dabei kam es aber zu VOUT-Schwankungen. Um die oben genannten Probleme zu lösen, haben die Forscher vom Ulsan National Institute of Science and Technology folgendes vorgeschlagen:

➔ Eine vollständig zustandsbasierte Phasenauswahltechnik (FSPS), die eine schnelle VCF-Kalibrierung, einen stabilen Start und einen sanften Modenübergang ohne I_L-Subharmonische ermöglicht
➔ Einen auf einem Komparator basierenden stromsparenden C_F-Lade- und Entladephasenselektor (C_F-CDPS), der keinen zusätzlichen Kompensator benötigt und gleichzeitig sowohl eine Echtzeit-V_CF-Messung als auch die Erzeugung eines Kalibrierungssignals ermöglicht.
➔ Einen adaptiven Slope-Generator (ASG) für eine optimale Steigungskompensation und einen sanften Modusübergang in einem breiten I/O-Bereich der CMC-Technik.

Der dreistufige Aufwärtswandler (3LBST) mit FSPS und ASG wurde in einem 0,18-μm-BCD-Prozess hergestellt. Der 3LBST hat keine Probleme mit subharmonischen Schwingungen oder V_OUT-Schwankungen, die durch den Modusübergang verursacht werden. Es konnte ein Spitzenwirkungsgrad von 95,3 Prozent bei V_OUT = 10 V und I_LOAD = 150 mA gemessen werden.

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Wireless Power Transfer

Das dritte Highlight kommt aus Taiwan und beschreibt eine Entwicklung, die von der National Yang Ming Chiao Tung University und Realtek Semiconductor vorgestellt wurde. Dabei handelt es sich um einen Ansatz für die drahtlose 3D-Energieübertragung mit einem Wirkungsgrad von 90,1 Prozent und einer Rauschunterdrückungstechnik, die eine Rauschunterdrückung von -62 dB ermöglicht.

Bekanntermaßen bietet eine resonante drahtlose Leistungsübertragung (WPT, Wireless Power Transfer) im Vergleich zu einer induktiven WPT mehr räumliche Freiheit. Aber ein Sender mit nur einer Spule (TX) ist dennoch in einer Dimension begrenzt, wenn der Empfänger (RX) einen Winkel θ gegenüber dem TX aufweist. Wenn θ auf 90° ansteigt, sinkt der Grad der Kopplung, ausgedrückt durch den Kopplungsfaktor k, auf Null.

Gleichzeitig wird die Kommunikationsstärke zwischen RX und der TX-Sensorspule, die parallel zur TX-Hauptspule geschaltet ist, geschwächt und die Kommunikation kann auch noch leicht durch Rauschen beeinträchtigt werden. Über die TX2-Spule, die senkrecht zu TX1 steht, kann der Empfänger auch bei einer Änderung von θ noch Energie empfangen. Wenn jedoch die TX2-Sensorspule die Ladesteuerung übernimmt, hat sie keine Verbindung zu TX1, was zu Leistungsverlusten führt.

Daher schlagen die Forscher in ihrem Paper ein dreidimensionales (3D) WPT-System vor, bei dem die Spulen in der X-, Y- und Z-Achse über einen zentralen Controller gesteuert werden können. Der zentrale Controller kommuniziert mit den drei TXs in einem Regelkreis mit Vektorerkennung. Da der RX seine Position in 3D relativ zu jedem TX ändert, muss der zentrale Controller den Vektor des RX anhand der Position jedes TX erkennen. Obwohl ein k-Sensor in früheren Arbeiten den Kopplungskoeffizienten extrahieren kann, ist der Kopplungsfaktor in 3D immer noch ein Problem. Deshalb wird eine Vektorerkennungsschleife vorgeschlagen, mit deren Hilfe der k-Faktor für jeden TX in 3D bestimmt werden kann. Der zentrale Controller entscheidet über die Leistungsverteilung der einzelnen Sender, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Um sicherzustellen, dass die Kommunikation zwischen dem Empfänger und den einzelnen Sendern nicht durch Umgebungsgeräusche und Interferenzen von den benachbarten Sendern beeinträchtigt wird, haben die Forscher auch noch eine Technik zur Rauschunterdrückung vorgeschlagen. Wenn die Kommunikation in der Hauptspule hergestellt ist, verstärkt der induzierte magnetische Fluss in der Hilfsspule das empfangene Signal. Umgekehrt hebt der induzierte magnetische Fluss in der Hilfsspule das in der Hauptspule empfangene Signal zur Rauschunterdrückung auf, wenn keine Kommunikation zustande kommt. Das heißt, wenn einer der Sender mit dem Empfänger kommuniziert, haben die beiden anderen Sender keinen Einfluss auf den zentralen Controller.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen: Die Rauschunterdrückungstechnik nutzt die Hilfsspule, um das empfangene Signal um 52 Prozent zu verbessern, während das Rauschen auf -62,6 dB reduziert werden kann. Der Demodulator und der Vektordetektor im zentralen Controller können den empfangenen k-Faktor eines jeden Senders ermitteln, um die Leistungsübertragung jedes Senders zu bestimmen. Der Spitzenwirkungsgrad erreicht 90,1 Prozent und die maximale Leistung beträgt 69 W von 3TXs.