High Efficiency Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converter with … · 2015. 11. 24. · Proposal!...

Gunma University, Japan

2015/11/4Yoshiki Sunaga, N.Shiraishi, K.Asaishi, N.Tsukiji, Y.Kobori, N.Takai, H. Kobayashi

TakaiLaboratory

High Efficiency Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converter with ZVS-PWM Control

1

GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB

OUTLINE

Background and Objective

Boost Converter with ZVS-PWM Control

Simulation results

Conclusion and Future works

2

Implementation of SISO Boost Converter with ZVS-PWM Control

Conventional SIDO Boost Converter

GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 3

OUTLINE



Simulation results





Social demandminiaturization

low cost weight reduction

high efficiency



SIDO means… Single Inductor Dual Output

Dual Output and

Single Inductorminiaturization


SIDO boost converter power stage

Co1 R1

Co2

L

SW0

D

SW2

SW1

R2

Vin

Vo1

Vo2


Proposal!ZVS is one of the soft-switching

methods for switching loss reduction (ZVS:Zero Voltage Switching)

high efficiency


SIDO boost converter power stage

apply

Co1 R1

Co2

L

SW0

D

SW2

SW1

R2

Vin

Vo1

Vo2


OUTLINE

7



Simulation results





Switching loss

8

Switching loss

when the switch is turned ON/OFF, The switch transistor suffers from an electrical loss.

Psw =

Z �t

0I(t) · V (t)dt

=1

6· V · I ·�t

Its expression is given as follows:

switch OFF > switch ON

0

IV

t2t1

OFF ON OFF


ZVS(Zero Voltage Switching)

9

ZVS mean... Switching method for the switching loss reduction. Use the resonance between the inductor and the capacitor.

Vsw=GND Switch ON & OFF! Psw reduction

0

IV

t2t1

OFF ON OFF

Vsw gradually raises by resonance between

the inductor and the capacitor.


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Power Stage

10

SISO Boost Converter with ZVS-PWM Control

SISO Boost ConverterSISO Boost Converter

with ZVS-PWM Control

RoCo

D

M

L

CinVin

Vsw

PWM

RoCoCr

D

M

L

CinVin

Vsw

PWM

SISO:Single Inductor Single Output

Vo Vo


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

11

RoCo

D

M

L

CinVin

Vsw

PWM

RoCoCr

D

M

L

CinVin

Vsw

PWM

Power Stage

SISO Boost ConverterSISO Boost Converter

with ZVS-PWM Control

Only add the resonance capacitor Cr!


Vo Vo


ZVS-PWM SISO Boost Converter Power stage

simulation result of SISO Boost Converter with ZVS-PWM control in steady-state. Its operation can distribute in 4 states.

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

Vin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw


Vo

Vf


Vo

VfVin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw

13

PWM:Hi M1:ON D:OFF

Terminal voltage Vsw=0V. IL is increased at the rate of Vin/L. Cr is charged to Vo during this period.

State1

State1

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

IL



VfVin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw

14

IL is supplied to output by Cr. Vsw drastically increases due to current supply to Cr. Finally, Vsw increases to Vo+Vf until diode is turned ON.

State2

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

IL

State2 PWM:Lo M1:OFF D:OFF


Vo


Vin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw

15

Vsw is Vo+Vf, Diode is turned ON, and resonance stops. IL flows through diode from Vin. IL decreases at the rate of (Vin-Vo)/L. Finally, IL is turned to the opposite direction flow at t3. In this period, Vsw maintains to Vo+Vf.

State3

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

State3 PWM:Lo M1:OFF D:ON


Vf

Vo

IL


Vin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw

16

IL is negative, Diode is turned OFF, and resonance starts again. Vsw gradually decreases due to IL supply. When Vsw reaches at 0V, then M1 is turned ON and state returns to State1.

State4

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo

State4 PWM:Lo M1:OFF D:OFF


Vf

Vo

IL


The input and output voltage condition

The minimum of Vsw(t) ≦ 0V

�Vo

+ 2Vin

0V

Vo

� 2Vin

State4

The ZVS condition

Vin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw Vo

IL

Vsw

(t) = Vo

· coswt+ Vin

(1� coswt)

IL

(t) = (Vin

� Vo

) ·r

Cr

L· sinwt

General solution

cosωt=-1(w :

1pCr · L

)

Vf


State4

The input and output voltage condition

Vin Cin

L

M1

D

Cr

Co Ro

PWM

Vsw Vo

IL

The minimum of Vsw(t) ≦ 0V

�Vo

+ 2Vin

0V

Vo

� 2Vin

Vsw

(t) = Vo

· coswt+ Vin

(1� coswt)

IL

(t) = (Vin

� Vo

) ·r

Cr

L· sinwt

(w :1p

Cr · L)

General solution The ZVS condition

cosωt=-1

The input and output voltage condition!

Vf


OUTLINE

19



Simulation results





　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Timing Chart

SEL signal is Hi, and Output1 selected. PWM signal is Hi. Vo1 is decreased during this period.

ΔVo1>ΔVo2

OFF

t0～t1

Vo1

Vo2

PWM

SEL

SEL

to t1

t2

t3

t4

ON

<

+

<

+

SEL

SEL

SEL

Comp1

Comp2

power stage converter1

converter2

SEL Comp

Vo1

Vo2

PWM

Vo1

Vo2D Q

Q

SEL

SEL

pulse

<

+

<

+

<

+

Vref1

Vref2

Error amp1

Error amp2

Vin

Vsw

Conventional SIDO Boost ConverterSIDO Boost Converter

Vo1

Vo2

select 1

PWM:Hi


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

21

SEL signal is Hi, and Output1 selected. PWM signal is Lo. Vo1 is increase during this period. ΔVo1<ΔVo2 at t2, then SEL signal is turned Lo.

t1～t2

Vo1

Vo2

PWM

SEL

SEL

to t1

t2

t3

t4

<

+

<

+

SEL

SEL

SEL

Comp1

Comp2


converter2

SEL Comp

Vo1

Vo2

PWM

Vo1

Vo2D Q

Q

SEL

SEL

pulse

<

+

<

+

<

+

Vref1

Vref2

Error amp1

Error amp2

Vin

Vsw

PWM:LoOFF

ON

select 1

Timing Chart


ΔVo1>ΔVo2


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

ON

t2～t3

OFF

Vo1

Vo2

PWM

SEL

SEL

to t1

t2

t3

t4

SEL signal is Lo, and Output2 selected. PWM signal is Hi. Vo2 is decreased during this period.

Timing Chart


select2

PWM:Hi

ΔVo1<ΔVo2

<

+

<

+

SEL

SEL

SEL

Comp1

Comp2


converter2

SEL Comp

Vo1

Vo2

PWM

Vo1

Vo2D Q

Q

SEL

SEL

pulse

<

+

<

+

<

+

Vref1

Vref2

Error amp1

Error amp2

Vin

Vsw


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

23

SEL signal is Lo, and Output2 selected. PWM signal is Lo, Vo2 is increase during this period. ΔVo1>ΔVo2 at t4, then SEL signal is turned Lo.

t3～t4

ON

OFF

Vo1

Vo2

PWM

SEL

SEL

to t1

t2

t3

t4

<

+

<

+

SEL

SEL

SEL

Comp1

Comp2


converter2

SEL Comp

Vo1

Vo2

PWM

Vo1

Vo2D Q

Q

SEL

SEL

pulse

<

+

<

+

<

+

Vref1

Vref2

Error amp1

Error amp2

Vin

Vsw

Conventional SIDO Boost ConverterSIDO Boost Converter Timing Chart

select2ΔVo1<ΔVo2

PWM:Lo


OUTLINE

24



Simulation results





Simulation Circuit (SIDO)

25

V L C C C R R V V

2.5V 3.9uH 100nF 470uF 50Ω 6V 5V

Simulation Parameter

SIDO boost converter with ZVS-PWM control

<

+

<

+

SEL

SEL

SEL

Comp1

Comp2

SEL Comp

Vo1

Vo2

PWM

Vo1

Vo2D Q

Q

SEL

SEL

<

+

<

+

<

+

Vref1

Vref2

Error amp1

Error amp2

Vin

L D

Cr

M1 Co1 Ro1

Ro2Co2

Vsw

<

+

Vsw

ZVS Comp

Vo1

Vo2


・the output voltage ripples of Vo1 and Vo2 are under 10mVp-p

output waveforms




Operation waveforms of SIDO boost converter with ZVS-PWM control



Vo1 select Vo2 select


・PWM signal is turned Hi when Vsw=0V. ・SEL signal is switched when Vsw=0V.

Zero Voltage Switching!



V 2.5V

V 6.03V

V 5.10V

L 6.8uH

C 100nF

C 940uF

R 51Ω

Implement Parameter

Operation waveforms of the SIDO boost converter with ZVS-PWM control

38mVp-p

35mVp-p

Impriment Circuit (SIDO)


Comparison of Switching Loss (SISO)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Simulation Circuit

SISO Boost Converter SISO Boost Converter with ZVS

V L C C R V F

2.5V 3.9uH-

470uF 20Ω 6V 170.3kHz100nF

Fop:Switching Frequency

<

+

Vin

L

M1

D

Cr

RoCo

<

+<

+

Vsw

Vsw

R

S

Q

PWMComp

Error amp

Vref

sawtooth

VoVin

L

M1

DRoCo

<

+<

+

Vsw

R

S

Q

PWMComp

Error amp

Vref

sawtooth

Vo

pulce

Simulation Parameter

Propose

Comparison of Switching Loss

Switching time

Power lossPsw=10.3mW/sec

Psw=2.26mW/secPower loss

32

Conventional

Switching loss Psw

Psw =1

6· V · I ·�t

Propose


Switching time



33

Conventional

Switching loss Psw

Psw =1

6· V · I ·�t

ZVS can reduce

78% switching loss!


OUTLINE

34



Simulation results





Operation principle

35

Measured waveforms of the SISO boost converter with ZVS-PWM control

V 2.5V

V 6V

L 3.9uH

C 100nF

C 470uF

R 51Ω

F 129kHz2us/div

Vo

IL

Vsw

PWM

Implement Parameter


Operation principle

36

Measured waveforms of the SISO boost converter with ZVS-PWM control

2us/div

Vo

IL

Vsw

PWM

0IL

PWM

Vsw

t0 t1 t2 t4t3

0

Vo


Switching time




Switching loss Psw

Psw =1

6· V · I ·�t

Propose

Conventional


Switching time




Switching loss Psw

Psw =1

6· V · I ·�t

Propose

Conventional

ZVS can reduce

84.2% switching loss!


OUTLINE

39



Simulation results

Summary and Future works




Summary and Future works　

40

Summary

• We have proposed a SIDO boost converter with ZVS-PWM control

for small size and high efficiency.

• We have shown condition of Zero Voltage Switching(Vo≧2Vin).

• ZVS can reduce 78% of switching loss on simulation(SISO).

• ZVS can reduce 84.2% of switching loss on implementation(SISO).

Future works

• We implement SIDO boost converter with ZVS-PWM control.

• The measurement of characteristics of ZVS-PWM control(SISO,SIDO).


Summary and Future works

41

Thank you for listening.

謝謝


Q&A

42

Q1.この回路の動作はＣＣＭですか？

A1.いいえ。SIDO ConverterはDCM動作をさせる必要があります。

Q2.SIDOはSISOより出力リプルが大きくなるような気がしますが？

A2.That’s right!

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