• 検索結果がありません。

A research of the high-speed and high-accurate simulation techniques for Buck & Boost DC-DC converters

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "A research of the high-speed and high-accurate simulation techniques for Buck & Boost DC-DC converters"

Copied!
12
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)
(2)

Journal of the Institute of Science and Engineering. Chuo University

�������������������������

�����������������

����

*

�����

�����

*

A research of the high-speed and high-accurate

simulation techniques for Buck & Boost DC-DC converters

Masahiro SUZUKI

*

� Syoko SUGIMOTO

� Yasuhiro SUGIMOTO

*

Abstract

As the DC-DC converter is mixed system of analog and digital functions, it is difficult to simulate its transient responses and frequency characteristics in high-speed by utilizing the analog circuit simulator such as SPICE. We propose the use of the behavioral simulation program by incorporating the non-linear equations and feed-back-loops, those of which are formulated based on the actual circuit behavior.

�� �����

� � �������������������������������������������������

����� DC-DC ������������������������������������������

������������������������������

� DC-DC ������������������ SPICE ���������������������� SPICE

��������������������������������������������������

������������������������������������������������ DC- DC ������������������������������������������������

�������������������������������������� SPICE ���������

��� AC ���������������������������������������������

�������������������������������� [1] � [2] ���������������

��������������������������������������������������

��������������������������

�� ����������

��� DC-DC ����������������� SPICE ����������������� SPICE ���

�������������������������� DC-DC �������������� 1. ������

�������� 2.AC ������������������

1 ����� DC-DC ��������������� SPICE ������������������������

����������� Fig.1 ���������������������������������

��������������������������������������������

�������������������������� ��������� ��������

�������

(3)

Fig.1

��������

�������������������������������� DC-DC ��������������

����������������������������������� DC-DC ������������

�������������� 1 ����������������

2 ����� SPICE � AC ��������������������������������������

����� SPICE � AC ����������������������������������������

��������������������������������� DC-DC ��������������

������� AC ��������

���� SPICE ���� DC-DC ���������������� 2 �������������������

��

�� �����

SPICE ����������������������������������������������

������������������������������������������������ 4 �

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

����������������������

��� AC ����������������������� AC ��������������������

�������� [3] ���� DC-DC ������������������ f ����������������

��������������� v

1

(t) �� v

2

(t) � FFT ������� f �������������������

����� f ���������������������������������������������

FFT ������������������������������������������������

� MATLAB/Simulink ���������������� MATLAB/Simulink ������������������

���������������������� SIMetrix/SIMPLISIS � SCAT �������� SIMetrix/SIMPLI

SIS �� SPICE �������������������������� SPICE ���������������

��������������������������������������������������

������������������������ � SCAT ����������������������

�������������� SPICE ���������������� 4 �����������������

��������������������������������������������������

(2 �������� ) ����������������

���� ����������������

���������������������� DC-DC ��������� Fig.2 � Fig.3 ����

(4)

� � � � �

Fig.2

��������������������������������� �

Fig.3

�������������������

DC-DC

������������

PWM

��������������������������������

������������������������������������������

PWM

�����

�������

4

������������������������������

PWM

����������

������������������������������������������������

�����

DC-DC

���������

Fig.4

������

4

�����������������������

����������������

Fig.4

�����������������

�� ������������

���������������

Fig.4

��������������������������������

������������������������������

MOS

������������������

��

L

C

����������������������������������������������

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

���������������������

(

����

)

������������������������

�����������

�������������������������������������������������

��������������������������������������������������

���� ����

��������������������������

Fig.2

Fig.3

������������������

(5)

��������������������������������������������������

���� C ��������� v

c

(t) ������ L ������ i

L

(t) ��������������������

�������� v

in

(t) ����� i

out

(t) ������������ v

out

(t) �������� i

L

(t) ��������

������������������ R

out

���������������������� v

in

(t) ��� 1 ���

���������������������������������

u

�������

x

�������

y

��

� �

� �

� � ) (

) (

t i

t v

out

u

in

� �

� � ) (

) (

t i

t v

L

x

C

� �

� � ) (

) ( t i

t v

L

y

out

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����

��������������������������������������������������

������

��

Du Cx y

Bu Ax

x

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����

������� MATLAB/Simulink �� State-Space ����������������������������

������������������ MOS ���������������� ( ����� ) ��������

���� Fig.5 ����

Fig.5

����������

���� ������

�������������������������������������������� i

L

(t) ���

��������������������������������������������������

�������������������������� K

cfb

����������� v

i

� � v

i

K

cfb

i

L

(t ) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����

���� K

cfb

������� A

cfb

������������ g

m

���������� g

ds

������������

������������������������������� ON �����������������

���� OFF �������������������������������� PWM ������� PWM

��� High ��� ON ������������������� PWM ��� Low ��� OFF ���� OFF ����

�������������������� Fig.6 ����

� � � � � � � � � � � � �

Fig.6

������������

���� �������

������������������������������������������������ Fig.

7 ����������������������������������������� v

1

(s) ����� DC- DC ���������� v

o

(s) ���������� v

c

(s) ����� V

ref

���������������� v

1

(s) ��

� � v

1

( s ) H

o

( s ) v

o

( s ) H

c

( s ) v

c

( s ) H

lim

( s ) I

lim

( s ) V

ref

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����

���� H

o

(s) � v

o

(s) �� v

1

(s) ��� H

c

(s) � v

c

(s) �� v

1

(s) ��� H

lim

(s) � I

lim

(s) �� v

1

(s) ������������

�� (4) ���� v

1

(s) �����������������������������������������

��������������������������������������������������

�������������� M

nlim

�������������������������������� M

nlim

(6)

�����������������������������

Fig.8

����

+ -

vo Rf1

Rf2 Rf3 Cerr Rerr

Vref vc

Mnlim Ilim

v1

� � � � � �

Fig.7

���������������������������������������

Fig.8

������������

���� ���

�����

MATLAB/Simulink

����������������

(SR-FF)

����������������

�����������������������������������������������

MATL

AB/Simulink

���������������������������������������������

�������������������������

Fig.9

����

Fig.9

���������

�� ����������

���������������������������

DC-DC

�������������������

��������������������������������������������������

�����������������

���� ���

�������

Fig.10

����

L

C

����������

RL

Rc

��������������������

����

Rf

����

Mp

Mn

ON/OFF

������

Fig.10

lx

����������������������

������

LC

����������������������������������

� ���� � � ��� � �

+

Fig.10

����������������������������������

Fig.11

���������������

������������

C

���������

vc(t)

������

L

������

iL(t)

�����������

������

lx

����

vlx(t)

�����

iout(t)

������������

vout(t)

��������

iL(t)

������

(7)

��������������������

��

� �

��

��

��

��

� �

��

� �

��

��

��

��

� �

� �

� �

��

��

��

��

) (

) (

) ( 1

) 0 (

) (

) (

) (

) ( ) (

) ( )

( 1

) (

) (

t I

t v

R R L

R R L

R R C

R

t i

t v R

R L

R R R R R R R L

R

R R C

R R

R C

dt t didt

t dv

out lx

f c

f c

f c

f

L c

f c

f c f c l f c

f

f c

f f

c L

c

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

� �

��

� �

��

��

� �

��

� �

��

��

��

� �

) (

) ( 0

0 0

) (

) ( 1 ) 0

( ) (

t I

t R v R

R R

t i

t R v R

R R R R

R t

i t v

out f lx c

f c

L f c c

f c f c

f

L

out

��������������������������������� ����

������������������

MOS

�����������������������������

������

lx

����������������������������������������

Fig.10

������������������������������

vds

���������������

) 2 ( ) ( )

(V V V V 2 i t

vds in th in th L

� � � � � � � � � � � � � � � ���

�����������

(7)

��������������������������������������

�����������

Fig.11

�����������������

������������������������

Fig.12

���� ���������

LC

���������

������������������

�������� �

QP

Fig.12

�����������������������������������

Fig.13

���������������

������������������������

vc(t)

��������

iL(t)

��������������

Vcc

�����

u2(t)

u3(t)

���������������������������������������

����������������������������������������

0

1

��������

u2(t)

���������������������������������������

u3(t)

������

��

u3(t)

P(iL(t)

���

0

�������������

)

Q(

���

MOS

������������������

)

�������������������

vout(t)

��������

iL(t)

������������������

��������������������

��

��

� �

� �

) ( } )) ( 1 ( ) (

) ) ( ) ( )( ( ) ( 1{

) (

) ) ( ) ( ) ) ( ( ) ( 1( ) (

3 2 2

2 2 2 2

t u v t u V t u

R R

R R t i u t t v u t i R L V dt

t di

R R

R t i t u t t v i t C u dt

t dv

lx f

c out

out c L L c

L L cc

c out

c L L c

c

���������������������� ����

(8)

��

��

� � ) ( ) (

/ 1

) ( ) ( ) ) (

( 2

t i t i

R R

R t i t u t t v v

L L

out c

c L

out c

��������������������������������������� ����

���

Rc

��������������

Rout

������

Vf

�������������

vlx

����

MOS

��

��������������������������

Fig.13

���������������������

��������������������

���� �����

� ���������������������������������������������

Fig.14

�������������������������������

vinp

�����

vinp

Mp

vds

�����

SW1

vds

���������������������

Iref

10

�������������������

gdsmp

gdssw

�����

) 10 1 ( ) 1 (

ref dssw L dsmp

inp

I

t g g i

v � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �����

����������

ON

���������

Mp

OFF

�������

SW2

���

ON

��

SW1

SW2

�����

������

) 10 1 (

dssw ref

inp I

vg

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �����

���� ��������������������������

K

��������

Acfb

Mpcfb

������

������

gmcfb

Mpc

��������

gdsmpc

������

dsmpc mcfb cfb

dsmpc mcfb cfb

g g A

g g K A

� �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����

���������

Rcfb

�����������������������

Fig.15

����

���������������

Fig.16

��������������������

vinm

�����

vinm

Mn

v

ds

�����

SW1

vds

���������������������

Iref

10

����������������

���

gdsmn

gdssw

�����

1 ( ) 1 ( 10 )

ref dssw L

dsmn

inm

I

t g g i

v � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �����

����������

Mn

ON

���������

Mn

OFF

��������

SW2

���

ON

��

SW1

SW2

��

���������

) 10 1 (

ref dssw

inm I

vg

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �����

������������������������������

K

��������

Acfb

Mpcfb1

������

������

gmpcfb1

Mpc

��������

gdsmpc

������

� � �

1 2 1

1

) / (

) / (

mpcfb mpcfb dsmpc

mpcfb cfb

dsmpc mpcfb cfb

L W

L W g g A

g g

K A

� �

�������� � � � � � � � � � �����

���������

Rcfb

��������������������

Fig.17

�����������������

������������������

(9)

� � � � � �

Fig.14

�������������� � � � � � � � � � � ����

Fig.16

��������������

Fig.15

�������������������������������������

Fig.17

����������������

�� ����

SPICE

����

AC

�����������������������������������������

������������������������������������

DC-DC

�����������

����������

AC

�������������������������������

AC

������

����������������������

���

Fig.18

�������������������������������������������

������

vin

�����������

vout

����������������������������

(

��

�����

)

����������������

2

����������������������������

��������������������������������������������

����������������������������������������

PWM

������

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

���������������

Fig.19

��������

CH1

CH2

�����������������

vin

��

���������

vout

����������������������������������������

������������������������

2

�������������������������

��������������������������������������������������

� � � �

Fig.18

�������������������������������������������

Fig.19

���������

(10)

�� ����������

������������������ DC-DC ������������������� DC-DC ������

�������������������������� 3V ����� 2V ����� 20 ����������

����� 5MHz ���� Fig.20 ���������������������� v

c

������� v

i

�����

��������������� 50mV ��������� Duty �������������������� v

i

��������������� SPICE ������������������������� SPICE ����

��������������������������������������������������

������������������������������� SPICE ��������������

������ DC-DC ��������������������������������� 2.5V �����

5V ����� 50 ��������������� 1MHz ���� Fig.21 �������������������

��� v

c

������� v

i

������� SPICE ���������� 50mV ������� Duty �������

������������������������� Table 1 �����

��� AC ������������ DC-DC ��������� Fig.22 ������������������

����� 2.5V ����� 1.5V ����� 15 ����� SPICE ����������������������

��������������������������������������������������

�� DC-DC ������ AC ������ Fig.23 ������������������� 2.5V ����� 5V ��

��� 50 ����������������������������������������������

��� AC ��������� Table 2 �����

� ����������������������������� DC-DC ��������� Fig.24 �����

�������������� 3V ����� 2V ������� 20mA � 220mA ���������������

DC-DC ��������� Fig.25 ������������������� 2.5V ����� 5V ������ 50m A � 150mA ��������� Fig.24 � Fig.25 ������ SPICE ��������������������

� � � ��� �

Fig.20

������������

���

0 20u 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u 180u 200u 0

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

� � � � � � � � � �

195 u 196 u 197 u 198u 199u 200u

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Time[sec]

Voltage[V]

MATLAB(Vc) MATLAB(Vi) SPICE(Vc) SPICE(Vi)

� �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

Fig.21

������������

(11)

Table 1

�����������

� ���������� ����������

SPICE

� �������� �������������

MATLAB/Simulink

� ����� �������������

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

� � � �

40

-20 20 0

100 0

-200 -100

103 104 105 106

103 104 105 106

Gain [dB]Phase [degree]

Frequency [Hz]

MATLAB SPICE

Fig.22

���������� � � � � � � � � � � � � ��� �

Fig.23

����������

Table 2

�����������

� ���������� ����������

SPICE

� ����������� ����������������

MATLAB/Simulink

� ���������� ����������������

MATLAB SPICE

� � � � � � � �

400u 500u 600u 700u

4.8 4.85 4.9 4.95 5 5.05 5.1 5.15

Time[sec]

Voltage[V]

MATLAB SPICE

� �

Fig.24

��������������������������������������

Fig.25

�����������

�� ���

DC-DC

���������������������������������������������

����������������������������������������

DC-DC

������

���������������

SPICE

������������������������������

(12)

��

:

����

JST

������������������������������������������

��

����

[1] V.Voperian

��

Simplified Analysis of PWM Converters Using Model of PWM Switch

Part I: Continuous Con duction mode

��

IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol.26, no.3, p.490-505, May 1990

[2] R.D.Ridley

��

A new

continuous-time model for current-mode control

��

IEEE Trans. Power Electronics

vol 6

no.2

pp.270-280

Apr.1991

[3] Ly,J.H. and Siri,K.,

Frequency Response Analysis for DC-DC Converters Without Small-Signal Linearizatio n

��

Applied Power Electronics Conference and Expositon

2003. APEC

03.Eighteenth Annual IEEE Volume 2

9-13 Feb.2003 Page(s): 1008-1013 vol.2

[4]

�����������

MATLAB/Simulink

����

DC-DC

���������������������

�������

, vol.108

no.253

ICD2008-66

pp.43-48

2008

10

��

参照

関連したドキュメント