High efficiency DC-DC Buck Converter for Automotive Grade Applications

In recent years, in the automotive sector, devices that need a regulated DC supply voltage have increased and the evolution in the market of cars with electric power trains requires accurate optimization of power management sections. Among DC-DC converters, the Step-Down switching converter (or Buck converter) is very important. The power is collected and stored in a 12V battery for classic fuel-engine cars and in a 400V/800V battery for electric cars, and then, from this storage, it should be converter in different voltage domains like 48V, 12V, 5V 3V, etc employing complex multi-stage switching DC-DC Converters. In this thesis a complete analysis of buck converter for automotive applications is made, starting from the behavioral study of generic step-down DC-DC converter and analysis of power losses, test a buck converter delivering a constant current, and the complete design and test of a voltage buck converter. A platform for a fast study and optimization of different DC-DC converter topologies developed in MATLAB environment is proposed. In the platform, basic DC-DC converter building blocks (inductive and switched-capacitor) are available to compose complex DC-DC converter structures and to evaluate their fundamental limit performance and passive component values. Building block models are validated by circuit-level simulations. As example, the complete DC-DC Converter from 400V down to 3V is proposed. Also, the 12-to-3 V buck converter is studied with consideration on a real case with power loss limitation on the package and different losses at different current in asynchronous operation. A Constant-Output-Current, constant-Toff, buck-mode switching converter is validated by an IC prototype in a 0.35 µm BCD process. The whole IC has an area of 0.56 mm2. The output current and the off-time values can be modified with external trimmers. A dedicated PCB is designed to reduce the parasitic inductance to a minimum. It can regulate an output current from a minimum value of 700 mA to a maximum of 2.5 A. The highest current is reached with a switching frequency of 1.5 MHz. A maximum frequency of 3.3 MHz can be reached with an output current of 730 mA. The duty cycle can vary from 20% to 96%. A peak efficiency of 96.4% at 700 mA is obtained. A Synchronous Constant TOF F Peak Current Mode Controlled (PCMC) Buck converter, with a maximum output current of 10A, is designed, produced in a 0.35 µm BCD technology and tested. Thanks to this type of Pulse Frequency Modulation (PFM) control and an integrated high-side current sensing, it is possible to realize an efficient system with over-current protection, duty cycle greater than 50%, without slope compensations, and high efficiency also at low loads. The implementation of the integrated current sense, the high switching frequency and the high stability of constant TOF F reduce at the minimum the number of external components and the used area for IC to lower the price of the buck converter system. The gate driver and control of the Low Side (LS) are integrated, instead the LS switch is an external component placed on the PCB. The device can work in both the modes, synchronous and asynchronous, simply exchanging the LS MOSFET with a diode. The control of the OFF-time is completely independent and sense the state of the hard switching node to understand the finish of the ON-time. The system is measured in laboratory with a switching frequency around 1 MHz with an output voltage of 3V with an output current up to 10A. In this thesis, a complete analysis of the automotive DC-DC converter is performed, which proves the feasibility of a buck converter with a switching frequency of 1 MHz or higher, up to 10A of supplied current and an output voltage in a range from 96% to 6% of the input voltage in the used 0.35 µm BCD process.

Negli ultimi anni, nel settore automobilistico, è aumentato il numero di dispositivi che necessitano di una tensione di alimentazione continua regolata, e l’evoluzione delle auto con trazione elettrica richiede un'accurata ottimizzazione della gestione dell'energia. Tra i convertitori DC-DC, il convertitore Step-Down (o Buck) è molto importante. L'energia è raccolta e immagazzinata in una batteria da 12V per le auto a combustibile classico e in una batteria da 400V/800V per le auto elettriche, e poi convertita in diversi domini di tensione come 48V, 12V, 5V, 3V, ecc., utilizzando convertitori DC-DC a più stadi. In questa tesi viene analizzato un convertitore Buck per applicazioni automobilistiche, partendo dallo studio comportamentale di un generico convertitore DC-DC Step-Down e dall'analisi delle perdite di potenza, testando un convertitore Buck che fornisce corrente costante e progettando e testando un convertitore di tensione Buck. Viene proposta una piattaforma sviluppata in MATLAB per l'ottimizzazione di diverse topologie di convertitori DC-DC. Nella piattaforma sono disponibili blocchi base dei convertitori DC-DC per comporre strutture complesse e valutare le loro prestazioni e i valori dei componenti passivi. I modelli dei blocchi sono validati da simulazioni a livello di circuitale. Ad esempio, è proposto un convertitore DC-DC da 400V a 3V e viene studiato il convertitore Buck da 12V a 3V in un caso reale con un limite sulla potenza dissipata sul package. Un convertitore Buck con corrente di uscita costante e Toff costante è validato da un prototipo realizzato in un processo BCD a 0.35 µm. L'intero IC ha un'area di 0.56 mm2. I valori di corrente di uscita e Toff possono essere modificati con trimmer esterni. È progettata una PCB dedicata per ridurre al minimo l'induttanza parassita. Il dispositivo può regolare una corrente di uscita da 700 mA a 2.5 A. La corrente massima è raggiunta con una frequenza di commutazione di 1.5 MHz. Una frequenza massima di 3.3 MHz può essere raggiunta con una corrente di uscita di 730 mA. Il duty cycle può variare dal 20% al 96%. Si ottiene un'efficienza di picco del 96.4% a 700 mA. Un convertitore Buck con un controllo Peak Current Mode (PCMC), con Toff costante e sincrono, con una corrente di uscita massima di 10A, è progettato, prodotto e testato in una tecnologia BCD a 0.35 µm. Grazie a questo tipo di controllo a modulazione di frequenza di impulso (PFM) e a un sensore della corrente integrato, è possibile realizzare un sistema efficiente con protezione da sovracorrente, anche con duty cycle superiore al 50%, senza slope compensation e alta efficienza anche a bassi carichi. Il rilevamento della corrente integrato, l'alta frequenza di commutazione e l'alta stabilità del controllo a Toff costante riducono al minimo il numero di componenti esterni e l'area utilizzata per l'IC, abbassando il prezzo del sistema. Il gate driver e il controllo del low side (LS) sono integrati, mentre l'interruttore LS è un componente esterno sul PCB. Il dispositivo funziona sia in modalità sincrona che asincrona, scambiando il MOSFET LS con un diodo. Il controllo del tempo di spegnimento è indipendente e rileva lo stato del nodo di commutazione per capire la fine del tempo di accensione. Il sistema è misurato in laboratorio con una frequenza di commutazione intorno a 1 MHz, una tensione di uscita di 3V e una corrente di uscita fino a 10A. In questa tesi è effettuata un'analisi completa del convertitore DC-D per applicazioni automobilistiche, dimostrando la fattibilità di un convertitore Buck con una frequenza di commutazione di 1 MHz o superiore, fino a 10A di corrente fornita e una tensione di uscita in un intervallo dal 96% al 6% della tensione di ingresso nel processo BCD utilizzato a 0.35 µm.