Implementation and Design of CPLD-Based

8/7/2019 Implementation and Design of CPLD-Based

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I m p l e m e n t a t i o n a n d D e s i g n o f CPLD-BasedS w i t c h e d - C a p a c i t o r S t e p - D o w n D C - D C C o n v e r t e rw i t h M u l t i p l e O u t p u t C h o i c eYuen-Haw Chang

D e p a r t m e n t a n d G r a d u a t e I n s t i t u t e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,C h a o y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T a i c h u n g , T a i w a n , R . O . C .A b s t r a c t - - A s i m p l e q u a s i - s w i t c h e d - c a p a c i t o r ( Q S C ) s t e p -d o w n DC-DC c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e ( 9 V / 5 V ,9 V / 3 . 3 V , 9 V 1 2 V ) i s d e s i g n e d a nd i m pl e m e n t ed v i a c o m p l e x -p r o g r a m m a b l e - l o g i c - d e v i c e - b a s e d ( C P L D ) d i g i t a l c o n t r o l l e r f o rl o w - p o w e r a p p l i c a t i o n s ( I n p u t : 7 . 0 - 9 . O V , l o a d : 5 0 - 4 0 0 0 h m s ) .T h e i n t e g r a t e d d i g i t a l c o n t r o l l e r i s i m p l e m e n t e d b y c o m b i n a t i o nw i t h V e r i l o g CPLD a n d ADC/DAC c h i p s t o a c h i e v e t h e c l o s e d -l o o p c o n t r o l o f QSC c o n v e r t e r . S u c h a V e r i l o g - b a s e d CPLD c a nm a k e c o n t r o l l e r d e s i g n m o r e f l e x i b l e , s i m p l e a n d r e l i a b l e . I nf a c t , SC c i r c u i t n e e d s n o i n d u c t i v e e l e m e n t , s o I . C . f a b r i c a t i o ni s p r o m i s i n g , a n d i t i s p r e t t y s u i t a b l e f o r l o w - p o w e r V L S Ia p p l i c a t i o n s . An i n t e r l e a v e d c u r r e n t - m o d e c o n t r o l i s e m p l o y e dh e r e f r o m b a t t e r y s o u r c e i n t e r l e a v e d c h a r g i n g t o t h e s e r i e sc a p a c i t o r s o f d i f f e r e n t c e l l s b y a v o l t a g e - c o n t r o l l e d c u r r e n ts o u r c e , s o t h e c o n t i n u o u s i n p u t c u r r e n t c o m e s i n t o b e i n g , a n d i tr e s u l t s i n a g o o d f e a t u r e : l o w e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e( E M I ) . S u c h a c u r r e n t - m o d e c o n t r o l i s a b l e t o n o t o n l y e n h a n c eo u t p u t r o b u s t n e s s a g a i n s t s o u r c e v a r i a t i o n / n o i s e , b u t a l s o k e e pr e g u l a t i o n c a p a b i l i t y o f c o n v e r t e r w i t h l o a d i n g v a r i a t i o n .F i n a l l y , t h e h a r d w a r e e x p e r i m e n t s a r e i l l u s t r a t e d t o s h o w t h ee f f i c a c y o f t h e s c h e m e d e s i g n e d , w he r e s o m e t o p i c s i n c l u d e :v o l t a g e c o n v e r s i o n a n d o u t p u t r i p p l e p e r c e n t a g e , o u t p u tr o b u s t n e s s a g a i n s t s o u r c e v a r i a t i o n , a n d r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y o fc o n v e r t e r w i t h l o a d i n g v a r i a t i o n .I n d e x T e r m s - - q u a s i - s w i t c h e d - c a p a c i t o r , s t e p - d o w n , DC-DCc o n v e r t e r , V e r i l o g - c o d e , C P L D .

I . I N T R O D U C T I O NI n r e c e n t y e a r s , d u e t o t h e p o p u l a r i t y o f p o t a b l ee l e c t r o n i c e q u i p m e n t s , f o r e x a m p l e , P D A , n o t e b o o k ,c e l l u l a r p h o n e , d i g i t a l c a m e r a , p a g e r , a n d e - b o o k . . . e t c . ,t h e i r DC-DC p o w e r m o d u l e a l w a y s a s k s f o r s o m e g o o df e a t u r e s o f s m a l l v o l u m e , l i g h t w e i g h t , h i g h p o w e rd e n s i t y a n d e f f i c i e n c y , a n d g o o d r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y .B e s i d e s , t o f i t i n w i t h r e q u i r e m e n t s o f v a r i o u s f u n c t i o n sa l l i n o n e , b o t h m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e a n d f l e x i b l ec o n t r o l l e r d e s i g n b e c o m e e s s e n t i a l t o p o w e r m o d u l ed e s i g n g r a d u a l l y . T h e r e f o r e , m o r e m a n u f a c t u r e s a n dr e s e a r c h e r s p a y m u c h a t t e n t i o n t o t h i s t o p i c o nd e v e l o p m e n t o f a m o r e f l e x i b l e p o w e r c o n v e r t e r f o r l o w -p o w e r a p p l i c a t i o n s , u l t i m a t e l y r e q u i r i n g DC-DCc o n v e r t e r s r e a l i z e d o n a c h i p b y m i x e d a n a l o g VLSIt e c h n o l o g y .I n 1 9 9 6 , C h u n g a n d l o i n o v i c i s u g g e s t e d a c o m p l e t e l ynew c o n v e r t e r s c h e m e , c a l l e d q u a s i - s w i t c h e d - c a p a c i t o r( Q S C ) s t e p - d o w n c o n v e r t e r , e mp lo ye d b y c u r r e n t - m o d ec o n t r o l i d e a [ 1 ] . B a s i c a l l y , t h i s c o n v e r t e r c o n f i g u r a t i o n i sc o m p o s e d o f t w o SC c e l l s w o r k i n g i n a n t i - p h a s e p e r i o d s .I n f a c t , t h i s c o n f i g u r a t i o n i s a l m o s t s i m i l a r t o t h a t o fC h e o n g ' s [ 2 ] , b u t t h e m o s t d i f f e r e n t p o i n t b e t w e e n t h e mi s t o u s e a c on st an t c u r r e n t s o u r c e f o r c h a r g i n g c a p a c i t o r s

( c u r r e n t - m o d e ) , n o t t o u s e a c o n s t a n t v o l t a g e s o u r c e( v o l t a g e - m o d e ) . H e r e , s o m e MOSFETS a r e o p e r a t e d i np i n c h - o f f r e g i o n a s a v o l t a g e - c o n t r o l l e d c u r r e n t s o u r c e , s ot h e c a p a c i t o r v o l t a g e i s l i n e a r l y c h a n g e d w i t h t i m e , n o te x p o n e n t i a l l y c h a r g e d a s [ 2 ] . T h u s , t h e i n p u t c u r r e n t i sc o n t i n u o u s a n d c o n s t a n t , b u t n o t d i s c o n t i n u o u s a n dv a r i a n t a s [ 2 ] , s o EMI p r o b l e m c a n b e i m p r o v e d . F r o m1 9 9 9 , r e s e a r c h e r s a r e c o n c e n t r a t e d m a i n l y i n r e g u l a t i o ni m p r o ve m e n t a nd c a p a b i l i t y e n h a n c e m e n t o f t h e QSCc o n v e r t e r [ 3 ] - [ 8 ] . H e n r y s u g g e s t e d a m u l t i - s t a g e d e s i g no f QSC D C - D C c o n v e r t e r f o r i m p r o v i n g v o l t a g er e g u l a t i o n a n d c u r r e n t d r i v e c a p a b i l i t y [ 3 ] . F o r s t e p - d o w nd e s i g n , n c a p a c i t o r s a r e d i s c h a r g e d i n p a r a l l e l , a n d t h e nt h e l a r g e r o u t p u t c u r r e n t c a n b e g e n e r a t e d f o r t h e h e a v i e rl o a d d r i v e [ 4 ] . F o r s t e p - u p d e s i g n , n c a p a c i t o r s a r ed i s c h a r g e d i n s e r i e s f o r s u p p l y i n g t h e h i g h e r v o l t a g e l o a d[ 5 ] . H o w e v e r , s o m e i m p r o v e me n t s p a c e s s t i l l e x i s t , f o re x a m p l e , m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e , c o n t r o l l e r r e l i a b i l i t y ,a n d c o n t r o l l e r d e s i g n f l e x i b i l i t y . I n t h i s p a p e r , b a s e d o nt h e C P L D - b a s e d d i g i t a l c o n t r o l l e r , a s i m p l e QSC s t e p -d o w n DC-DC c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e i si m p l e m e n t e d f o r a v a r i e t y o f l o w - p o w e r o u t p u t . S u c h aV e r i l o g - c o d e - b a s e d C P L D c h i p c a n m a k e c o n t r o l l e rd e s i g n m o r e f l e x i b l e , s i m p l e , a n d r e l i a b l e .I I . C O N F I G U R A T I O N O F CPLD-BAsED CONVERTER

I n t h i s s e c t i o n , a n o v e r a l l c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n o fC P L D - b a s e d QSC s t e p - d o w n D C - D C c o n v e r t e r i ss u g g e s t e d , a n d t h e n t h e r e l a t i v e p o w e r - p a r t c i r c u i t : QSCs t e p - d o w n c o n v e r t e r i s i n t r o d u c e d , i n c l u d i n g : b a s i cc o n t r o l o p e r a t i o n a n d c i r c u i t f o r m u l a t i o n .2 . 1 CPLD-BASED QSC CONVERTER SCHEME

F i g . 1 s h o w s t h e o v e r a l l c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n o f CPLD-b a s e d QSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r , a n d i t c o n t a i n st w o p a r t s : " p o w e r p a r t " a n d " c o n t r o l p a r t " f o r a c h i e v i n gt h e c l o s e d - l o o p c o n t r o l o f QSC c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l eo u t p u t c h o i c e . F i r s t , t h e a b o v e h a l f o f F i g . 1 d e a l s w i t h t h ep o w e r p a r t : QSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r , w h i c h i sc o m p o s e d o f c a p a c i t o r s a n d MOSFETS a s s h o w n i n F i g . 2[ 1 ] . T h e b a s i c c o n t r o l o p e r a t i o n i s d e s c r i b e d a s f o l l o w s .I n t h e f i r s t h a l f - c y c l e , l e t QSA o p e r a t e i n p i n c h - o f f r e g i o na s a c o n s t a n t c o n t r o l l e d c u r r e n t s o u r c e , t u r n o f f S A a n dQ S B , a n d t u r n on S B i n t r i o d e r e g i o n a s a s m a l l r e s i s t o r .T h u s , a l l c a p a c i t o r s o f c e l l A a r e l i n e a r l y c h a r g e d b y t h ec o n s t a n t c u r r e n t s o u r c e . A t t h e s a m e t i m e , a l l c a p a c i t o r so f c e l l B a r e d i s c h a r g e d t o s u p p l y t h e l o a d R L . B a s e d o nt h e s a m e i d e a , i n t h e s e c o n d h a l f - c y c l e , e x c h a n g e t h ew o r k s o f t w o c e l l s , a n d t h e n r u n t h e o p e r a t i o n c y c l i c a l l y .

1 - 4 2 4 4 - 0 8 4 4 - X / 0 7 / $ 2 0 . 0 0 2 0 0 7 I E E E . 1 6 5 1


2/8

IQSA C T ST S / 2 T s / 2I S A {\

I Q E

I S T

[ - - - l01 - _ 13 B

I c e l l A T

' c . e l l B] I DnF i g . 1 C P L D - b a s e d QSC s t e p - d o w n c o n v e r t e r s c h e m e I

C e l l A C h a r g i n g D i s c h a r g i n g C h a r g i n g D i s c h a r g i n g C h a r g i n gC e l l s D i s c h a r g i g C h a r g i n g D i s c h a r g i n g C ha r gi n g D is c ha r g in g

F i g . 2 P o w e r - P a r t : QSC S t e p - D o w n C o n v e r t e rT h u s , i t i s o b v i o u s t h a t t h e o u t p u t v o can b e r e g u l a t e dr e l a t i v e t o h ow much t h e c a p a c i t o r s ar e c h a r g e d b yc o n t r o l l e d c u r r e n t source. F i g . 3 s h o w s t h e t h e o r e t i c a lc u r r e n t w a v e f o r m s o f t h i s QSC c o n v e r t e r .S e c o n d l y , t h e c o n t r o l p a r t : CPLD-based d i g i t a lc o n t r o l l e r i s s h o w n i n F i g . 1 b e l o w , w h i c h i s c o m p o s e d o fV e r i l o g - c o d e - b a s e d CPLD, ADC/DAC c h i p s , c r y s t a lo s c i l l a t o r , a n d l o w - p a s s f i l t e r . F r o m t h e v i e w o f c o n t r o l l e rs i g n a l f l o w , t h e f e e d b a c k s i g n a l o f t h e c o n v e r t e r : o u t p u tv o i s s e n t i n t o t h e OP-amp l o w - p a s s f i l t e r f o r h i g h -f r e q u e n c y n o i s e r e j e c t i o n , a n d n e x t t h e f i l t e r e d s i g n a l i s

t r a n s f e r r e d i n t o t h e d i g i t a l f o r m b y a n ADC c h i p . T h e n ,t h e f i l t e r e d / d i g i t a l i z e d o u t p u t i s s e n t i n t o t h e C P L D c h i p ,a n d t h e n c o m p a r e d w i t h t h e d e s i r e d o u t p u t r e f e r e n c e( s e l e c t e d b y t h e m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e ) t o p r o d u c e t h ed i g i t a l - f o r m c o n t r o l s i g n a l VGS. N e x t , w i t h t h e DACc h i p s , t h i s d i g i t a l - f o r m c o n t r o l s i g n a l VGS i s t r a n s f e r r e db a c k i n t o t h e a n a l o g f o r m , a n d t h e n t o a d j u s t t he dr ai nc u r r e n t i D ( I Q S A / I Q S B o f Q S A / Q S B ) f o r t h e c a p a c i t o rv o l t a g e r e g u l a t i o n o f two c e l l s . S o , t h e V e r i l o g - c o d e -b a s e d C P L D c h i p h a s t w o t a s k s t o d o : ( 1 ) . t h e d y n a m i cp r o d u c t i o n o f t h e d i g i t a l - f o r m c o n t r o l s i g n a l VGSa c c o r d i n g t o b o t h t h e f i l t e r e d / d i g i t a l i z e d o u t p u t a n d t h ed e s i r e d o u t p u t r e f e r e n c e , a n d ( 2 ) . t h e s t a t i c g e n e r a t i o n o ft h e t i m i n g - c o n t r o l s i g n a l s o f QSC c o n v e r t e r c e l l sa c c o r d i n g t o t h e s c h e d u l e d o p e r a t i o n o f F i g . 3 . H e r e , b yu s i ng V e r il og p r o g r a m m i n g , t h e CPLD-based d i g i t a l

F i g . 3 T h e o r e t i c a l c u r r e n t w a v e f o r mc o n t r o l l e r h a s a more f l e x i b l e , s i m p l e a n d r e l i a b l e d e s i g npr ocess f o r m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e .2 . 2 FORMULATION OF QSC S T E P - D o w N CONVERTER

By i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f c a p a c i t o r s o f t w o c e l l s i nF i g . 2 , a c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n o f n - s t a g e QSC s t e p - d o w nD C - D C c o n v e r t e r i s s u g g e s t e d as s h o w n i n F i g . 4 t os u p p l y t h e l o a d R L f r o m t h e source V s . T h i s n - s t a g eQSC c o n v e r t e r i s s t i l l c o m p o s e d o f two n - s t a g e c e l l s Aa n d B i n p a r a l l e l b e t w e e n source V s a n d o u t p u t V O . F o re a c h c e l l , t h e r e i n c l u d e s n c a p a c i t o r s C 1 , C 2 C n , & 3 n - 1s w i t c h e s S 1 , S 2 . . . S 3 ( i . e . , p o w e r or c o m p l e m e n t a r yMOSFETS), w h e r e e a c h c a p a c i t o r h a s c a p a c i t a n c e Cw i t h e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c e ( E S R ) rc , a n d s i m i l a r l yt h e o u t p u t c a p a c i t o r h a s c a p a c i t a n c e C 0 w i t h ESR rc0,a n d MOSFETS S , S 2 . S 3 n - I are o p e r a t e d as s t a t i cs w i t c h e s w i t h t h e o n - s t a t e r e s i s t a n c e r T .A c c o r d i n g t o t h e s c h e d u l e d o p e r a t i o n o f F i g . 3 , i t i so b v i o u s t h a t b o t h c e l l s A a n d B are b a s i c a l l y o p e r a t e d i na n t i - p h a s e : when c e l l A i s i n t h e c a p a c i t o r - c h a r g i n gp e r i o d , c e l l B i s w o r k i n g i n t h e c a p a c i t o r - d i s c h a r g i n gp e r i o d , a n d v i c e versa. S o , t h e d u t y c y c l e i s f i x e d a t 0 . 5f o r e a c h c e l l . H e r e , i n t h e f i r s t h a l f - c y c l e p e r i o d , l e t QSAb e i n p i nc h - o f f r e g io n as a c o n t r o l l e d c u r r e n t s o u r c e , t u r no f f S A & Q S B , a n d t u r n o n S B i n t r i o d e r e g i o n as a s m a l lr e s i s t o r . T h e n , n c a p a c i t o r s C A I - C A n o f c e l l A a rel i n e a r l y c h a r g e d i n s e r i e s b y t h e c o n s t a n t c o n t r o l l e d

1652

II c e l l BIr-- q-- _-

i C e l l B

v

a

t

t


3/8

0 . 5 , s u c h a c o n s t a n t d u t y c y c l e i s m u c h u s e f u l e s p e c i a l l yt o c o n t r o l d e s i g n a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s .F i r s t , f o r t h e a i m t o s t e a d y - s t a t e a n a l y s i s , b a s e d o n t h ef o r m u l a t i o n o f ( 1 ) , a r o u n d o n e s t a t i c o p e r a t i n g p o i n t , a l lv o l t a g e s a n d c u r r e n t s a r e d i v i d e d i n t o t w o p a r t s : s t a t i c+ o p e r a t i n g p o i n t s a n d d y n a m i c s m a l l s i g n a l s a s :

I R L v O V C a ( t ) = V c a + V C a ( t ) V C b ( t ) = V C b + V C b ( t ) , ( 2 a , b )V c o ( t ) = V C O + V C o ( t ) , D ( t ) = ' D + l d ( t ) ,v O ( t ) = V O + i o ( t ) , V G S ( t ) = V G S + 1 g s ( t ) I

( 2 c , d )( 2 e , f )I & S B

c, t ' , lSt i S H I t

I C 12 - ] S-I]ag C oI11

F i g . 4 n - s t a g e QSC s t e p - d o w n D C - D C c o n v e r t e rc u r r e n t s o u r c e , a n d a t t h e s a m e t i m e , n c a p a c i t o r sC B R 1 C B n o f c e l l B a r e d i s c h a r g e d i n p a r a l l e l t o s u p p l yt h e l o a d R L . B a s e d o n t h e s a m e i d e a , i n t h e s e c o n d h a l f -c y c l e , t h e y e x c h a n g e t h e i r w o r k s . By t h i s w a y , c h a r g i n gi n s e r i e s a n d d i s c h a r g i n g i n p a r a l l e l f o r n c a p a c i t o r sc y c l i c a l l y , t h e s t e p - d o w n f u n c t i o n c a n b e r e a l i z e d t o k e e po u t p u t o n V s / n i d e a l l y . H e r e , f o r s i m p l i f i c a t i o n , s i n c e a l lc a p a c i t o r s o f c e l l s A a n d B a r e s e l e c t e d i d e n t i c a l l y b y t h ev a l u e o f C, i . e . C A= = C A n = C B 1 = =CB= C , t h ev o l t a g e d r o p a c r o s s e a c h c a p a c i t o r o f t h e s a m e c e l l i sa s s u m e d i d e n t i c a l , d e n o t e d b y v c a ( t ) a n d V C b ( t ) f o rc a p a c i t o r v o l t a g e i n c e l l s A a n d B , r e s p e c t i v e l y .A c c o r d i n g t o t h e s e t w o c i r c u i t t o p o l o g i e s ( c h a r g i n g i n t o nc a p a c i t o r s i n s e r i e s a n d d i s c h a r g i n g f r o m n c a p a c i t o r s i np a r a l l e l ) , a c o m p l e t e l y s t a t e - s p a c e a v e r a g e d d e s c r i p t i o n o fn - s t a g e QSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r o f F i g . 4 c a n b ed e r i v e d a s

r c ( + R Lv C a ' ( t ) - 2nC AVC'(t) = 0- v c o ' ( t ) j RL

2 C . A

[ V O ( t ) ] = rcoRLL A

O R L2 n C Ar c O + R L R L2 n C - A 2 n C AR L r l + r T + R L2 C , . A C o - A

v C a ( t ) 2 CV.V C ( t ) +

0

r C O R L ( r l + r T ) - R L V ( t )V C b ( t )L-Vco@(0w h e r er 1 = ( ( C + 2 r T ) / n , ( 1 c )A = ( r T + r l ) ( r c , + R L ) + r C , R L , ( I d )i D ( t ) i s t h e a v e r a g e d r a i n c u r r e n t o f Q S A / Q S B , a n d v o ( t ) ,V c o ( t ) r e p r e s e n t t h e l o a d v o l t a g e a n d o u t p u t c a p a c i t o rv o l t a g e , r e s p e c t i v e l y .I n t h i s r e s e a r c h , s u c h a QSC c o n f i g u r a t i o n i s a d o p t e dw i t h i n c r e a s i n g s o m e a d v a n t a g e s a s f o l l o w s . ( 1 ) S i n c e t h ei n t e r l e a v e d c u r r e n t - m o d e t e c h n i q u e i s a d o p t e d , t h e i n p u tc u r r e n t I s c a n b e c o n s t a n t c o n t i n u o u s l y . T h e i n p u tc u r r e n t w a v e f o r m h a s n o h i g h c u r r e n t p e a k / j u m p , s o t h a tEMI p r o b l e m i s i m p r o v e d g r e a t l y . ( 2 ) S i n c e a l l t h ee l e m e n t s i n p o w e r - p a r t c i r c u i t c o n t a i n o n l y MOSFETS

a n d c a p a c i t o r s , t h e u n i f o r m f e a t u r e i s h e l p f u l t o I . C .f a b r i c a t i o n a n d r e a l i z a t i o n . ( 3 ) S i n c e t h e t w o c e l l s a r ew o r k i n g c o m p l e m e n t a r i l y , i . e . , t h e d u t y c y c l e i s f i x e d a t

w h e r e V C a , V c b , V C o , I D , Y V G S r e p r e s e n t t h e s t a t i cs i g n a l s , a n d C a C , v C b , C , dI d , i o 3 g s a r e t h e d y n a m i c s m a l ls i g n a l s . By s u b s t i t u t i n g s t a t e s v a r i a t i o n x ' ( t ) =0 o f ( 1 ) ,t h e s t e a d y - s t a t e o u t p u t V O a n d J 0 c a n b e s h o w n a s* S t e a d y - s t a t e a n a l y s i s a n d e x p r e s s i o n :V O = - C a v A a v B a u=nRLID = n - L K ( V G S - V t ) 2 , ( 3 a )k 0 = V O / R L =n I D = n - K ( V G s V t ) 2 , ( 3 b )w h e r e K i s t h e p r o c e s s p a r a m e t e r o f MOSFET, a n d V t i st h e t h r e s h o l d v o l t a g e . H e r e , i t i s n o t a b l e t h a t b o t h o u t p u tv o l t a g e V O a n d o u t p u t c u r r e n t J 0 a r e n o t f u n c t i o n o fs o u r c e V s . I n o t h e r w o r d s , w h e n t h e s o u r c e V s i sd e c r e a s i n g a l i t t l e , s u c h a s o u r c e v a r i a t i o n c a n n o t a f f e c to u t p u t V O & J 0 i m m e d i a t e l y . S i n c e V s i s n o t d i r e c t l yc o n n e c t e d t o t h e l o a d R L a t a n y h a l f - c y c l e o f p e r i o d , t h ev a r i a t i o n o f s o u r c e V s w i l l n o t m a k e a n y i m m e d i a t er e s p o n s e o n o u t p u t V O a n d J o . T h a t i s a v e r y e x c e l l e n ta d v a n t a g e f o r QSC c o n v e r t e r , s o i t c o u l d h a v e b e t t e ro u t p u t r o b u s t n e s s a g a i n s t s o u r c e v a r i a t i o n o r n o i s e . B a s e do n t h e c o n c l u s i o n o f ( 3 ) , t h e s t e a d y - s t a t e i n p u t / o u t p u tp o w e r o f QSC c o n v e r t e r c a n b e c o m p u t e d a s :P i V S I S = V S I D , ( 4 a )P o V O 1 0 R L I 0 = V O * n I I D ( 4 b )T h u s , u s i n g E q u a t i o n s ( 4 a ) - ( 4 b ) , t h e p o w e r c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y o f c o n v e r t e r i s d e r i v e d a s E q u a t i o n ( 5 ) , w h e r eM= V O / V s r e p r e s e n t s t h e v o l t a g e c o n v e r s i o n r a t i o .PV=n - I D =n . V O =n.M. ( 5 )P i V S I D V S[ i D ( 6 ) ] , N e x t , a r o u n d some s t a t i c o p e r a t i n g p o i n t , f o l l o w e d b yu s i n g t h e s m a l l - s i g n a l a n a l y s i s , t h e d y n a m i c e q u a t i o n c a nb e p r e s e n t e d i n E q u a t i o n ( 6 ) , a n d c o n s e q u e n t l y t h e s m a l l -s i g n a l t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h e QSC s t e p - d o w n c o n v e r t e rc a n b e a l s o s u g g e s t e d i n E q u a t i o n ( 7 ) :( l a , b ) * S m a l l - s i g n a l s t a t e - s p a c e e x p r e s s i o n :S v c I ( t ) _ -Lo ( t ) j - L

r c o + R L2 n C AR LC O - A

R L2nCA ~ ( t ) gm~+ 2C [, orT+rl+RL L ~ c o ( t ) i 0Co -A

FrCORL ( r i +rT )RLA A LCo( t ) j

* S m a l l - s i g n a l t r a n s f e r f u n c t i o n e x p r e s s i o n :( 6 a , b )

gmrCoRL(+1)G ( s ) V 0 ( s ) 2 C - A r C C O ( 7 )g S )( ) 2 + C o ( r c o+ R L ) + 2 n C ( r T + r l + R L ) 1 S+I2 n C C O A 2 n C C O Aw h e r e airgmig, a n d g =2 K I D / K i s t h e t r a n s -c o n d u c t a n c e . I f t h e QSC s t e p - d o w n c o n v e r t e r i s r e g a r d e da s a n o p e n - l o o p p l a n t o f c o n t r o l s y s t e m , t h e n i t s s m a l l -s i g n a l o p e n - l o o p m o d e l h a s b e e n d e r i v e d h e r e w i t h t w of o r m s o f : s t a t e - s p a c e a n d t r a n s f e r f u n c t i o n e x p r e s s i o n a s

1 6 5 3


4/8

E q u a t i o n s ( 6 ) - ( 7 ) . N e x t , s o m e c o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e sc a n b e a p p l i e d , f o r e x a m p l e s , P I D c o m p e n s a t o r o r s t a t e -f e e d b a c k c o n t r o l l e r , t o f o r m a c l o s e d - l o o p f e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m f o r m o r e e x c e l l e n t r e s p o n s e p e r f o r m a n c e s .I I I . CONTROL D E S I G N OF CPLD-BASED CONVERTERF i r s t o f a l l , b e f o r e t h e c l o s e d - l o o p d e s i g n , l e t ' s t a k e al o o k a t t h e s t a b i l i t y o f t h e o p e n - l o o p QSC c o n v e r t e r .O b v i o u s l y , f o r t h e b e t t e r p o w e r e f f i c i e n c y , t h e a p p l i e dv a l u e o f l o a d r e s i s t a n c e R L i s s u p p o s e d t o b e m u c h l a r g e rt h a n v a l u e o f p a r a s i t i c r T , r c , r c 0 . S o , t h e a s s u m p t i o n o fR L >> r c , R L >> r c o , R L >> r T i s s u p p o s e d t o b e a c c e p t e db a s i c a l l y . I n f a c t , t h e r e s i s t a n c e v a l u e o f l o a d R L i s a b o u ti n Q - l e v e l , a n d t h e v a l u e r a n g e o f p a r a s i t i c r T , r c , r c o i sa b o u t i n m Q - l e v e l . A r o u n d s o m e o p e r a t i n g p o i n t o f V G S ,t h e o p e n - l o o p t w o - o r d e r t r a n s f e r f u n c t i o n o f ( 7 ) c a n b ea p p r o x i m a t e l y r e d u c e d i n t o t h e o p e n - l o o p o n e - o r d e rt r a n s f e r f u n c t i o n m o d e l w i t h o n e d o m i n a n t p o l e a s :

C ( s ) = 0 n - g r n - R L 8 aGg s ( C + 2nC )R L s + l ( 8 a )p o l e d ( ( 8 b )( C O + 2 n C ) R LI t i s o b v i o u s t h a t t h e o p e n - l o o p QSC s t e p - d o w n c o n v e r t e ri s l o c a l l y s t a b l e b e c a u s e t h i s d o m i n a n t p o l e i s l o c a t e d i nt h e l e f t h a l f o f s - p l a n e . F u r t h e r m o r e , t h e v a r i a t i o n o fo p e r a t i n g p o i n t o f V G S w i l l n o t d i r e c t l y a f f e c t t h el o c a t i o n o f t h e d o m i n a n t p o l e , s o t h e r e s u l t a l m o s te n s u r e s t h e g l o b a l s t a b i l i t y o f t h e o p e n - l o o p QSCc o n v e r t e r . T h u s , i t i s o n e o f a d v a n t a g e s t h a t t h e c o n v e r t e rs c h e m e h a s a n i n h e r e n t g o o d s t a b i l i t y .N e x t , l e t ' s d i s c u s s t h e c l o s e d - l o o p c o n t r o l d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n o f t h e QSC c o n v e r t e r . F i r s t f o r s t e a d y -s t a t e r e g u l a t i o n , a c c o r d i n g t o ( 3 a ) , t h e s t e a d y - s t a t e o u t p u tv o l t a g e V . i s l i n e a r l y r e g u l a t e d b y d r a i n c u r r e n t ' Dw h i c h i s c o n t r o l l e d b y t h e g a t e - s o u r c e v o l t a g e V G ST h u s , f o r t h e a i m t o s t e a d y - s t a t e v o l t a g e r e g u l a t i o n , i t i sd e s i r e d t h a t t h e s t e a d y - s t a t e o u t p u t v o l t a g e V . c a n f o l l o wr e f e r e n c e V r e f b y a d j u s t i n g t h e g a t e - s o u r c e V G S . B a s e do n ( 3 a ) , l e t V . b e i d e n t i c a l t o t h e d e s i r e d V r e f , a n d t h e no b t a i n t h e n o n l i n e a r c o m p e n s a t o r f a s ( 9 ) t o p r o d u c e t h es t a t i c g a t e - s o u r c e v o l t a g e V G S f o r a c h i e v i n g t h e s t e a d y -s t a t e r e g u l a t i o n ,V G S f( V r e f ) V r f + v * ( 9 )nRLK

S e c o n d l y f o r t h e s m a l l - s i g n a l t r a n s i e n t r e g u l a t i o n ,a c c o r d i n g t o ( 7 ) , t h e s m a l l - s i g n a l o u t p u t v o l t a g e v O i sw i th t w o- o rd er t r a n s f e r f u n c t i o n o f s m a l l - s i g n a l g a t e -c o m p e n s a t o r

0 o l t a a eC ) ( e C ) A ; 0 tSVLV v G s

V t r e f C 3 s 1p i g V s

s o u r c e v o l t a g e 1 g s I T h u s , f o r t h e a i m t o s m a l l - s i g n a lv o l t a g e r e g u l a t i o n , i t w o u l d b e b e t t e r t o e m p l o y t h ec l o s e d - l o o p c o n t r o l f o r d y n a m i c c o mp e ns a ti o n o f o u t p u tv O I A s t h e c o n t r o l s c h e m e o f F i g . 1 , a s i m p l e P I - t y p ec o n t r o l l e r w i t h c u t - o f f f r e q u e n c y W L a n d p r o p o r t i o n a lg a i n K P i s a p p l i e d h e r e t o c o m p e n s a t e t h e t r a n s i e n td i f f e r e n c e b e t w e e n o u t p u t & d e s i r e d r e f e r e n c e , e v e n f o rs o m e g o o d p e r f o r m a n c e s , f o r e x a m p l e , r i s e t i m e a n ds e t t i n g t i m e . I n t h i s P I c o n t r o l l e r , t h e r e a r e t w op a r a m e t e r s o f W L , K P , w h e r e t h e g a i n K P i s d e s i g n e d f o rt r a c k i n g e r r o r c o m p e n s a t i o n , a n d t h e c u t - o f f f r e q u e n c yW L i s d e s i g n e d f o r t h e p o s s i b l e h i g h - f r e q u e n c y n o i s er e j e c t i o n . T h e r e f o r e , c o m b i n i n g t h e i d e a s o f s t e a d y - s t a t ea n d t r a n s i e n t c o n t r o l , t h e o v e r a l l c l o s e d - l o o p c o n t r o l o fQSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r c a n b e p r e s e n t e d a ss h o w n i n F i g . 5 , i n w h i c h a v o l t a g e l i m i t e r o f V G S i s u s e di n o r d e r t o p r o t e c t t h e d r a i n c u r r e n t n o t t o b e l a r g e r t h a ns a f e d r a i n c u r r e n t o f MOSFET.N e x t , l e t ' s l o o k a t C P L D c o n t r o l l e r i m p l e m e n t a t i o n .H e r e , a n i n t e g r a t e d d i g i t a l c o n t r o l l e r i s i m p l e m e n t e d v i ac o m b i n a t i o n w i t h V e r i l o g - c o d e C P L D a n d ADC/DAC/ O S C / O P c h i p s t o a c h i e v e t h e c l o s e d - l o o p c o n t r o l o f QSCs t e p - d o w n c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e . F r o mt h e a n g l e o f s i g n a l f l o w o f t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r , t h eo u t p u t s i g n a l v o o f t h e c o n v e r t e r g e t s i n t h r o u g h t h e O P -amp l o w - p a s s f i l t e r f o r t h e h i g h f r e q u e n c y n o i s e r e j e c t i o n ,a n d t h e n t h e f i l t e r e d a n a l o g o u t p u t s i g n a l i s t r a n s f e r r e di n t o t h e d i g i t a l f o r m b y t h e AD C c h i p . T h e n , t h ed i g i t a l i z e d o u t p u t s i g n a l i s s e n t i n t o t h e C P L D c h i p a n dc o m p a r e d w i t h d e s i r e d r e f e r e n c e V r e f , a n d f o l l o w i n g t op r o d u c e t h e s u i t a b l e d i g i t a l - f o r m c o n t r o l s i g n a l v G s .N e x t , w i t h t h e D AC c h i p s , t h e d i g i t a l - f o r m c o n t r o l s i g n a lv G s c a n b e t r a n s f e r r e d i n t o t h e a n a l o g f o r m f o r t h ea d j u s t m e n t o f i D . T h e s c h e m e o f t h e d i g i t a l c o n t r o l l e r i ss h o w n i n t h e F i g . 1 b e l o w . I n a d d i t i o n , t h e C P L D c h i p h a st o h a n d l e t h e t i m i n g c o n t r o l o f t h e c o n v e r t e r i na c c o r d a n c e w i t h t h e s c h e d u l e d o p e r a t i o n o f F i g . 3 . H e r e ,b y u s i n g V e r i l o g p r o g r a m m i n g , b o t h c o n t r o l s i g n a lp r o d u c t i o n a n d t i m i n g c o n t r o l o p e r a t i o n c a n b e e a s i l yr e a l i z e d a n d i n t e g r a t e d i n t h i s C P L D c h i p .

I V . E X P E R I M E N T O F CPLD-BAsED QSC CONVERTERI n t h i s s e c t i o n , t h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n a n de x p e r i m e n t o f t h e c l o s e d - l o o p C P L D - b a s e d QSC s t e p -down D C - D C c o n v e r t e r i s i l l u s t r a t e d . T h e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n o f c l o s e d - l o o p QSC c o n v e r t e r i s s h o w n

i n t h e p h o t o o f F i g . 6 , a n d a l l t h e h a r d w a r e e l e m e n t s a r el i s t e d i n T a b l e . l . H e r e , t h e c o r e : CPLD c h i p h a s t o n o to n l y h a n d l e t h e c o n t r o l s i g n a l p r o d u c t i o n , b u t a l s o r e a l i z e

F i g . 5 O v e r a l l c l o s e d - l o o p c o n t r o l o f QSC c o n v e r t e r

1 6 5 4


5/8

F i g . 6 H a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o f C P L D - b a s e d QSC s t e p - d o w nc o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e o u t p u t c h o i c e

T a b l e . 1 H a r d w a r e e l e m e n t s o f C P L D - b a s e d c o n v e r t e rI R F 5 1 0 ( N M O S ) x 2 CPLD XC9572 x 1J 7 7 ( P M O S ) x 2 A D C 0 8 0 4 ( A D C ) x 13 3 u f x 3 D A C 0 8 0 0 ( D A C ) x 24 7 u f x 1 H A 1 7 7 4 1 ( O P a m p ) x 61 . 8 4 0 2 M H z C r y s t a l x 1 | D I P 2 b i t x 1

F i g . 7 T e r m i n a l s o f CPLD c o n t r o l l e rT a b l e 2 . T e r m i n a l s o f V e r i l o g - c o d e - b a s e d CPLDT e r m i n a l name B i t I / 0 F u n c t i o n

C LK 1 I n p u t I n p u t f o r c l o c k s i g n a l f r o m t h ec r y s t a l o s c i l l a t o rS E L I I I n p u t S e l e c t i o n i n p u t 1 f o r m u l t i p l eo u t p u t c h o i c eS E L 2 I I n p u t S e l e c t i o n i n p u t 2 f o r m u l t i p l eo u t p u t c h o i c eV O [ 7 : 0 ] 8 I n p u t I n p u t f o r t h e f i l t e r e d d i g i t a l i z e do u t p u t f r o m AD COUTNI I O u t p u t O u t p u t f o r t h e c o n t r o l o fMOSFET SAOUTN2 I O u t p u t O u t p u t f o r t h e c o n t r o l o fMOSFET S BO U T A D C 1 [ 7 : 0 ] 8 O u t p u t O u t p u t f o r t h e c o n t r o l o fMOSFET QSA t o D A CO U T A D C 2 [ 7 : 0 ] 8 O u t p u t O u t p u t f o r t h e c o n t r o l o fMOSFET QSB t o DAC

t h e t i m i n g c o n t r o l o p e r a t i o n a s F i g . 3 . S o , b y u s i n gV e r i l o g p r o g r a m m i n g , b o t h t h e g o a l s c a n b e e a s i l ya c h i e v e d a n d i n t e g r a t e d i n t h i s CPLD c h i p , a n d A p p e n d i xd e a l s w i t h t h e e m b e d d e d V e r i l o g c o d e o f CPLD d i g i t a lc o n t r o l l e r , w h e r e t h e r e a r e 8 o u t p u t / i n p u t t e r m i n a l sp l a n n e d a s s h o w n i n F i g . 7 , a n d t h e i r f u n c t i o n s / b e h a v i o r sa r e d e s c r i b e d i n T a b l e 2 . T o d e s e r v e t o b e m e n t i o n e d , i t ' sn o t e a s y t o r e a l i z e s q u a r e - r o o t c o m p u t a t i o n o f n o n l i n e a r

c o m p e n s a t i o n a s E q u a t i o n ( 9 ) i n t h e CPLD c h i p . S o , t h et a b l e - l o o k - u p m e t h o d i s e m p l o y e d h e r e t o p r o d u c e t h es t a t i c c o n t r o l s i g n a l V G S f o r t h e d i f f e r e n t r e f e r e n c e V r e f ,i . e . , t h e s t a t i c V G S c a n b e c o m p u t e d f o r t h e d i f f e r e n tV r e f , a n d s t o r e d i n t h e p r o g r a m i n a d v a n c e , a s t h ed e c l a r e d p a r a m e t e r s : v 5 , v 3 , a n d v 2 i n A p p e n d i x . H e r e ,t h e c u t - o f f f r e q u e n c y W L i s t a k e n b y 1 4 7 0 r a d / s e c , i . e .2 3 4 H z , f o r t h e h i g h - f r e q u e n c y n o i s e r e d u c t i o n . I na d d i t i o n , t h e d i f f e r e n t g a i n K . c a n b e d e s i g n e d f o r t h ed i f f e r e n t o u t p u t c h o i c e , w h e r e K r i s s e t o n t h e v a l u e s o f8 / 8 / 6 f o r t h e d e s i r e d o u t p u t v o l t a g e o f 5 V 1 3 . 3 V 1 2 Vr e s p e c t i v e l y , a s s h o w n i n A p p e n d i x . T h e h a r d w a r ei mp le me nt at io n o f t h e c l o s e d - l o o p C P L D - b a s e d QSCs t e p - d o w n c o n v e r t e r o f F i g . 6 i s w i t h t h e c i r c u i t - l a y o u ts i z e o f 1 2 c m x 8 c m , a n d t h e w i r e s o f t h e c i r c u i t b o a r d i sm a d e b y t h e p r o t o t y p e c i r c u i t - c a r v i n g m a c h i n e . F o rc h e c k i n g c l o s e d - l o o p p e r f o r m a n c e , s o m e e x p e r i m e n t s a r ed i s c u s s e d a nd m e a s u r ed ( T o o l : T e k t r o n i x O s c i l l o s c o p eTDS 2 1 0 ) , i n c l u d i n g : ( A ) . v o l t a g e c o n v e r s i o n a n d o u t p u tr i p p l e p e r c e n t a g e , ( B ) . o u t p u t r o b u s t n e s s a g a i n s t s o u r c ev a r i a t i o n , a n d ( C ) . r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y o f c o n v e r t e r w i t hl o a d i n g v a r i a t i o n .( A ) . F i r s t , t h e QSC s t e p - d o w n c o n v e r t e r i s o p e r a t e df r o m s o u r c e V s o f 9 V c o n v e r s i o n i n t o o u t p u t V O o f2 V ( V r e f = 2V ) f o r s u p p l y i n g t h e l o a d R L o f 2 0 0 Q a t t h es w i t c h i n g f r e q u e n c y o f 1 2 . 5 k H z . T h e s t e a d y - s t a t e o u t p u tc o n v e r s i o n i s m e a s u r e d a s s h o w n i n F i g . 8 ( a ) . I t i so b v i o u s t h a t t h e c o n v e r s i o n w o r k s s t a b l y , a n d t h e o u t p u tr i p p l e p e r c e n t a g e c a n b e m e a s u r e d a n d c o m p u t e d a s :r p = A v o / V 0 = 1 . 5 1 0 % . H e r e , f o r s i m p l i f y i n g h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n , t h e s t a g e n u m b e r n i s o n l y t a k e n b y o n e( n 1 ) , b u t i t r e s u l t s i n t h e b a d e f f i c i e n c y a b o u t 2 2 %i n d e e d . I n o r d e r t o i m p r o v e t h e p o w e r e f f i c i e n c y , i t i sp r a c t i c a b l e t o i n c r e a s e o r c h a n g e t h e s t a g e n u m b e r n f o rt h e b e t t e r e f f i c i e n c y . A c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n o f ( 5 ) , t h e e f f i c i e n c y i s e n h a n c e d u p t o 66 %w h i l e t h e s t a g e n u m b e r n i s t h r e e ( n = 3 ) , o r f u r t h e r , t h ee f f i c i e n c y c a n b e i m p r o v e d t o 88% w h i l e n u m b e r n i st a k e n b y f o u r ( n =4 ) . B e s i d e s , f o r t h e o t h e r o u t p u tc h o i c e s ( V r e f 3 . 3 V , 5 V ) , t h e s t e a d y o u t p u t s a r em e a s u r e d a s s h o w n i n F i g . 8 ( b ) - ( c ) . I t i s o b v i o u s t h a t t h ec o n v e r s i o n s s t i l l w o r k s t a b l y , a n d t h e r e l a t i v e o u t p u tr i p p l e p e r c e n t a g e s a r e m e a s u r e d a s : 1 . 7 8 % a n d 1 . 0 1 % ,r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s s h o w t h a t t h e QSC c o n v e r t e rh a r d w a r e h a s a p r e t t y g o o d s t e a d y - s t a t e p e r f o r m a n c e .( B ) . S e c o n d l y , s i n c e t h e s o u r c e v o l t a g e i s d e c r e a s i n gn a t u r a l l y w i t h i n c r e a s i n g r u n n i n g t i m e o f b a t t e r y , o rv a r y i n g f r o m t h e b a d - q u a l i t y b a t t e r y , t h e o u t p u tr o b u s t n e s s a g a i n s t t h e s o u r c e n o i s e s m u s t b e c o n s i d e r e da n d e m p h a s i z e d . H e r e , i t i s a p p l i e d t o t h e h a r d w a r e t h a ts o u r c e V s h a s t h e a v e r a g e v a l u e o f 8V a n d e x t r a 0 . 5 Vp u l s e n o i s e a s s h o w n i n F i g . 9 ( a ) a b o v e . T h e n , t h e o u t p u tv o l t a g e v o i s m e a s u r e d a s s h o w n i n F i g . 9 ( a ) b e l o w , a n di t i s f o u n d t h a t o u t p u t v o i s s t i l l f o l l o w i n g t h e r e f e r e n c eV r e f t o s u p p l y o u t p u t o f 2 V , e v e n t h o u g h s o u r c e V s h a st h e s m a l l e r t h a n s t a n d a r d s o u r c e o f 9 V a n d t h e p u l s ed i s t u r b a n c e . B e s i d e s , f o r t h e o t h e r o u t p u t c h o i c e s( V r e f = 3 . 3 V , 5V ) , t h e o u t p u t r o b u s t n e s s c a n b e a l s oe x p e r i m e n t e d a n d m e as u r e d a s s h o w n i n F i g . 9 ( b ) - ( c ) . I nt h e s e f i g u r e s , i t i s f o u n d t h a t t h i s c o n v e r t e r c a n s t i l lf i r m l y s u p p l y t h e o u t p u t s o f 3 . 3 V , 5 V r e s p e c t i v e l y i ns p i t e o f t h e s o u r c e v a r i a t i o n . S o , t h e c l o s e d - l o o p QSCc o n v e r t e r h a s a g o o d r o b u s t n e s s a g a i n s t s o u r c e n o i s e s .

1 6 5 5


6/8

F ig . 8 (a ) S t e a d y o u t p u t conversion ( m o d e : 9 V / 2 V )

F i g . 8 ( b ) S t e a d y o u t p u t c o n v e r s i o n ( m o d e : 9 V / 3 . 3 V )

T~~~~~~~~:::

F i g . 8 ( c ) S t e a d y o u t p u t c o n v e r s i o n ( m o d e : 9 V / 5 V )

Fig. 9(a) S t e a d y Output while source variation ( m o d e : 9 V / 2 V )

Fig. 9(b) S t e a d y Output while sourcevariation ( m o d e : 9 V / 3 . 3 V )

F i g . 9 ( c ) S t e a d y O u t p u t w h i l e s o u r c e v a r i a t i o n ( m o d e : 9 V / 5 V )( C ) . F i n a l l y , t h e r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y o f t h e c o n v e r t e rw i t h l o a d i n g v a r i a t i o n i s d i s c u s s e d . F i g . 1 0 ( a ) s h o w s t h et r a n s i e n t o u t p u t w a v e f o r m w h e n t h e l o a d i s a d d e d i nd o u b l e , i . e . t h e same l o a d i s a d d e d a n d c o n n e c t e d i np a r a l l e l w i t h t h e o u t p u t t e r m i n a l s ( 2 0 0 Q - * I O O Q ) . F i g .1 0 ( b ) s h o w s t h e t r a n s i e n t o u t p u t w a v e f o r m w h e n t h ea d d e d l o a d i s r e m o v e d a w a y f r o m t h e o u t p u t t e r m i n a l s( I O O Q - * 2 0 0 Q ) . F r o m F i g . 1 0 ( a ) - ( b ) , i t i s o b v i o u s t h a tt h e o u t p u t v o l t a g e c a n b e s t i l l r e g u l a t e d t o h o l d on a b o u t2 V ( V r e f =2 V ) no m a t t e r w h e n t h e e x t r a l o a d i s a d d e d i no r r e m o v e d a w a y . Of c o u r s e , o ne s c a n a l s o f i n d t h a t t h eo u t p u t r i p p l e b e c o m e s l a r g e r d u r i n g t h e t i m e i n t e r v a l o fs u p p l y i n g t h e h e a v i e r l o a d . B e s i d e s , f o r t h e o t h e r o u t p u tc h o i c e s ( V r e f = 3 . 3 V , 5 V ) , t h e o u t p u t r e g u l a t i o n c a p a b i l i t yc a n b e a l s o e x p e r i m e n t e d a nd m e as u r ed a s s h o w n i n F i g .

1 0 ( c ) ( f ) . I n t h e s e f i g u r e s , i t i s f o u n d t h a t t h i s c o n v e r t e rc a n s t i l l k e e p t h e o u t p u t s on a b o u t 3 . 3 V , 5V r e s p e c t i v e l yi n s p i t e o f t h e l o a d i n g v a r i a t i o n . S o , b y u s i n g t h i s CPLDd i g i t a l c o n t r o l l e r , t h i s c l o s e d - l o o p QSC c o n v e r t e r h a s ap r e t t y g o o d r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y .V . CONCLUSIONS

A s i m p l e QSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r w i t hm u l t i p l e o u t p u t c h o i c e ( 9 V / 5 V , 9 V / 3 . 3 V , 9 V / 2 V ) i si m p l e m e n t e d b y u s i n g C P L D - b a s e d d i g i t a l c o n t r o l l e r f o ra v a r i e t y o f l o w - p o w e r o u t p u t r e q u i r e m e n t ( S p e c i f i c a t i o n :I n p u t v o l t a g e : 7 . O V 9 . 0 V , l o a d r a n g e : 5 0 - 4 0 0 0 h m s ) . I nt h i s p a p e r , a n i n t e g r a t e d d i g i t a l c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d v i a c o m b i n a t i o n w i t h V e r i l o g - c o d e C P L Da n d ADC/DAC c h i p s t o a c h i e v e t h e c l o s e d - l o o p c o n t r o l

1656

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ I

VW


7/8

F i g . 1 0 ( a ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g i n c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 2 V )

F i g . 1 0 ( b ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g d e c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 2 V )

F i g . 1 0 ( c ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g i n c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 3 . 3 V )

F i g . 1 O ( d ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g d e c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 3 . 3 V )

F i g . 1 0 ( e ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g i n c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 5 V )

F i g . 1 0 ( f ) T r a n s i e n t o u t p u t d u r i n g d e c r e a s i n g l o a d ( m o d e : 9 V / 5 V )o f QSC s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r . S u c h a V e r i l o g -b a s e d C P L D ca n make c o n t r o l l e r d e s i g n more f l e x i b l e ,s i m p l e a n d r e l i a b l e . F i n a l l y , t h e h a r d w a r e e x p e r i m e n t s arei l l u s t r a t e d t o s h o w t h e e f f i c a c y o f t h e s c h e m e , w h e r esome cases i n c l u d e : v o l t a g e c o n v e r s i o n a n d o u t p u t r i p p l ep er c en ta ge , o u t pu t r o b u s t n e s s a g a i n s t source v a r i a t i o n ,a n d c o n v e r t e r r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y f o r l o a d i n g v a r i a t i o n .T h e f o l l o w i n g a dv an ta g es o f t h e p r o p o s e d s c h e m e arei n v o l v e d . ( i ) S i n c e a l l t h e e l e m e n t s o f QSC c o n v e r t e ro n l y c o n t a i n MOSFETS a n d c a p a c i t o r s , t h e u n i f o r m i sh e l p f u l t o I . C . f a b r i c a t i o n f u t u r e . ( i i ) An i n t e r l e a v e dc u r r e n t - m o d e c o n t r o l i s e m p l o y e d f r o m b a t t e r y sourcei n t e r l e a v e d c h a r g i n g t o t h e s e r i e s c a p a c i t o r s o f t h ed i f f e r e n t c e l l s b y t h e c o n t r o l l e d c u r r e n t s o u r c e , so t h ec o n t i n u o u s i n p u t c u r r e n t comes i n t o b e i n g , a n d t h e n i tr e s u l t s i n a g o o d f e a t u r e : l o w E M I . ( i i i ) S u c h a V e r i l o g -c o d e - b a s e d C P L D c h i p h e r e ca n r e a l l y make t h ec o n t r o l l e r d e s i g n o f QSC c o n v e r t e r more f l e x i b l e , s i m p l ea n d r e l i a b l e . ( i v ) Due t o h i g h - f r e q u e n c y o p e r a t i o n , i tr e s u l t s p o s s i b l y i n l o w o u t p u t v o l t a g e r i p p l e . ( v ) S i n c esource V s i s n o t d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e l o a d R L anyt i m e , t h e s ource v a r i a t i o n w i l l n o t make any i m m e d i a t eresponse o n o u t p u t V O a n d l o . S o , i t c o u l d b e w i t h t h eb e t t e r o u t p u t r o b u s t n e s s a g a i n s t source v a r i a t i o n o r n o i s e .( v i ) S in ce t w o c e l l s are c o m p l e m e n t a r i l y w o r k i n g i n a n t i -p h a s e , i . e . , t h e d u t y c y c l e i s f i x e d a t 0 . 5 , s u c h a c o n s t a n td u t y c y c l e i s much u s e f u l e s p e c i a l l y t o c o n t r o l d e s i g n a n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f t h e c o n v e r t e r . ( v i i ) T h e d o m i n a n tp o l e i s l o c a t e d i n t h e l e f t h a l f o f s - p l a n e , so i t i s o b v i o u st h a t t h e o p e n - l o o p QSC c o n v e r t e r i s l o c a l l y s t a b l e . T h u s ,t h e c i r c u i t s c h e m e h a s a n i n h e r e n t g o o d s t a b i l i t y .

1 6 5 7

. . . . . . ... . ... . . . .. . . . . . _ .... .... ... . .. .. - . . . _

...

... ... ..

., ..,

-4


8/8

A P P E N D I XT h e V e r i l o g c od e o f C P L D - B a s e d c o n t r o l l e r :/ / D e f i n i t i o n / /m o d u l eS w i t c h ( c l k v o o u t a d c l , o u t a d c 2 , o u t n l , o u t n 2 , s e l l , s e l 2 )i n p u t c l k s e l l s e l 2 ;i n p u t 7 : 6 1 v o 'o u t p u t [ 7 : 0 ] o u t a d c l , o u t a d c 2 ;o u t p u t o u t n l , o u t n 2 ;

r e g [ 7 : 0 ] o u t a d c l , o u t a d c 2 , v d a t a , v r ;r e g o u t n l , o u t n 2 ;r e g vll hb32ctmp pp a r a m e t e r v 5 = 8 ' h a c , v 3 = 8 ' h b 4 , v 2 = 8 ' h c O ; / / T a b l e - l o o k - u p / /a l w a y s w ( n e g e d g e c l k )b e g i nc a s e ( { s e l 2 s e l I } )I / O I P C h o i c e : 5 V ' I I2 ' t U U

v o = 8 ' h f f )b e g i nv d a t a = 8 ' h f f ;e n de l s eb e i ni T ( v o = 8 ' h f b )b e g i nv r = ( v o - 8 ' h f b ) * 8 ;v d a t a = v 5 + v r ;e n de l s eb e g i nv d a t a = v 5 ;e n de n de n dI / O I P C h o i c e : 3 . 3 V I I2 , T b ) l : I2 b U li n = 8 ' h 9 3 )b e g i nv d a t a = 8 ' h O 1 ;e n de l s e i f ( v o > = 8 ' h b 2 )b e g i nv d a t a = 8 ' h f f ;e n de l s eb e g ni T ( v o < = 8 ' h a 5 )b e g i ny r = ( 8 ' h a 5 - v o ) * 8 ;v d a t a = v 3 - v r ;e n de l s e i f ( v o > = 8 ' h a 9 )b e g i nv r = ( v o - 8 ' h a 9 ) * 8 ;v d a t a = v 3 + v r ;e n de l s eb e g i nv d a t a = v 3 ;e n de n de n dI / O I P C h o i c e : 2 V I I2 1 0 :

i=vo< 8 ' h 4 c )b e g i nv d a t a = 8 ' h O 1 ;e n de l s e i f ( v o > = 8 ' h 7 0 )b e g i nv d a t a 8 ' h f f ;e n de l s eb e i ni T ( v o < = 8 ' h 6 3 )b e g i ny r = ( 8 ' h 6 3 - v o ) * 6 ;v d a t a v 2 - v r ;e l s e i f ( v o > = 8 h 6 7 )b e g i nv r = ( v o - 8 ' h 6 7 ) * 6 ;v d a t a = v 2 + v r ;e n d

I / G a i n : K p = 8 / /

I / G a i n : K p = 8 / /

H / G a i n : K p = 6 / /

e l s eb e g i nv d a t a = v 2 ;e n de n de n d2 ' b l 1 : v d a t a = v o ;e n d c a s e/ / T i m i n g C o n t r o l / /t m D = t m p + f Ii f ( t m p p : : : : 6 K& f l a g = - O )b e g i no u t n 2 = - o u t n 2 ;e n di f ( t m p 6 && f l a g = 1 )b e g i no u t n l = o u t n l ;e n di f ( t m p 2 && f l a g = 1 )o u t a d c 2 = v d a t a ;i f ( t m p 2 && f l a g = O )o u t a d c I = v d a t a ;i f ( t m p = = 7 )b e g i n

b e g i no u t a d c l = 8 ' h f fo u t n l o u t n i ;e n di f ( f l a g - = 0 )b e g i no u t a d c 2 = 8 ' h f fo u t n 2 = - o u t n 2 ;e n dt m p = O ;e n de n de n d m o d u l eACKNOWLEDGEMENT

T h e r e s e a r c h o f c i r c u i t t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f Y u e n -Ha w C h a n g i s s u p p o r t e d b y N a t i o n a l S c i e n c e C o u n c i l ,T a i w a n , R . O . C . , u n d e r N SC 9 5 - 2 2 2 1 - E - 3 2 4 - 0 0 5 .REFERENCES

[ 1 ] H . C h u n g a n d A . l o i n o v o c i , " S w i t c h e d - c a p a c i t o r - b a s e dD C - t o - D C c o n v e r t e r w i t h i m p r o v e d i n p u t c u r r e n tw a v e f o r m , " i n P r o c e e d i n g s IEEE I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo n C i r c u i t s a n d S y s t e m s , A t l a n t a , U S A , p p . 5 4 1 5 4 4 , 1 9 9 6 .[ 2 ] S . V . C h e o n g , S . H . C h u n g , a n d A . l o i n o v i c i , " D u t y - c y c l ec o n t r o l b o o s t s d c - d c c o n v e r t e r s , " IEEE C i r c u i t s a n dD e v i c e s M a g . , v o l . 9 , n o . 2 , p p . 3 6 - 3 7 , 1 9 9 3 .[ 3 ] H . C h u n g , " D e s i g n a n d a n a l y s i s o f a s w i t c h e d - c a p a c i t o r -b a s e d s t e p - u p DC/DC c o n v e r t e r w i t h c o n t i n u o u s i n p u tc u r r e n t , " IEEE T r a n s . o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s , v o l . 4 6 ,n o . 6 , p p . 7 2 2 - 7 3 1 , 1 9 9 9 .[ 4 ] H . S . H . C h u n g , S . Y . R . H u i , a n d S . C . T a n g ," D e v e l o p m e n t o f a m u l t i s t a g e c u r r e n t - c o n t r o l l e d s w i t c h e d -c a p a c i t o r s t e p - d o w n DC-DC c o n v e r t e r w it h c on ti nu ou si n p u t c u r r e n t , " IEEE T r a n s . o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s ,v o l . 4 7 , n o . 7 , p p . 1 0 1 7 1 0 2 6 , 2 0 0 0 .[ 5 ] H . C h u n g a n d Y . H . M o k , " D e v e l o p m e n t o f a s w i t c h e d -c a p a c i t o r DC/DC b o o s t c o n v e r t e r w i t h c o n t i n u o u s i n p u tc u r r e n t w a v e f o r m , " IEEE T r a n s . o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s ,v o l . 4 6 , n o . 6 , p p . 7 5 6 - 7 5 9 , 1 9 9 9 .[ 6 ] H . S . H . C h u n g , S . Y . R . H u i , S . C . T a n g , a n d A . W u , " O nt h e u s e o f c u r r e n t c o n t r o l s c h e m e f o r s w i t c h e d - c a p a c i t o rDC/DC c o n v e r t e r s , " IEEE T r a n s . o n I i n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s , v o l . 4 7 , n o . 2 , p p . 2 3 8 - 2 4 4 , 2 0 0 0[ 7 ] H . S . H . C h u n g , W. C . C h o w , a n d S . Y . R . H u i ," D e v e l o p m e n t o f a s w i t c h e d - c a p a c i t o r DC/DC c o n v e r t e rw i t h b i - d i r e c t i o n a l p o w e r f l o w , " IEEE T r a n s . o n C i r c u i ta n d S y s t e m s , v o l . 4 7 , n o . 9 , p p . 1 3 8 3 1 3 9 0 , 2 0 0 0 .[ 8 ] Yuen-Haw C h a n g , " D e s i g n a n d a n a l y s i s o f p o w e r - C M O S -g a t e - b a s e d s w i t c h e d - c a p a c i t o r DC-DC c o n v e r t e r w i t h s t e p -d o w n a n d s t e p - u p m o d e s , " I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C i r c u i tT h e o r y a n d A p p l i c a t i o n s , v o l . 3 1 , p p . 4 8 3 5 1 1 , 2 0 0 3 .

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