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PMIC Design(Analogy/Digital)

​

AC/DC DC/AC��DC/DC

0

林景源

jylin@mail.ntust.edu.tw

台科大電力電子實驗室

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1

PMIC Design(Analogy/Digital)

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2

48V轉12V 最大功率240W

採用波谷切(VSC)與變頻(PFM)雙模式控制策略

輕載：波谷切換

重載：變頻調變

整體晶片佈局示意圖

晶片架構圖

輕載波谷切換LLC諧振式轉換器控制晶片

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3

VSC與PFM模式切換波形圖

VSC模式6% 負載波形圖

VSC模式1% 負載波形圖

PFM模式100% 負載波形圖

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4

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5

設計參數

預計規格

輸入電壓(V_in )

2.7-3.3 V

輸出電壓(V_out )

1.8V

負載電流(I_LOAD )

10 μA-200 mA

切換頻率(f_SW )

2 MHz

電感(L)

2.2 μH

輸出電容(C_out )

10 μF

輸出電容的寄生電阻(R_ESR )

10 mΩ

輸出電壓漣波(V_(o,ripple) )

≤10 mV

靜態電流(I_Q )

≤200 nA

下衝電壓(V_(o,undershoot) )

≤100 mV

過衝電壓(V_(o,overshoot) )

≤100 mV

暫態時間(T_transient )

≤10 μs

效率(Efficiency)@10 μA

≥80 %

待機模式轉傳輸模式模擬圖

低靜態電流降壓式轉換器控制晶片設計

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6

全晶片佈局圖

晶片量測PCB板

負載電流200 mA穩態波形圖

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7

單電感雙輸入雙輸出直流升降壓式電源轉換器架構圖

電感電流波形及開關控制序列

單電感雙輸入雙輸出直流升降壓式電源轉換器

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8

全晶片佈局圖

TT corner _電感電流及頻率量測、降壓輸出VOA及升壓輸出VOB切載狀態

FF corner _電感電流及頻率量測、降壓輸出VOA及升壓輸出VOB切載狀態

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9

氮化鎵驅動器晶片架構圖

上/下橋閘極模擬波形(含寄生 & w/o SPNV)

全晶片佈局圖

氮化鎵(GaN)功率開關驅動晶片設計

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10

晶片架構圖

整體晶片佈局示意圖

改善動態電壓響應高效率節控制RGB-LED驅動晶片設計

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11

輸入電壓8V時之GREEN-LED量測波形

輸入電壓8V時之BLUE-LED量測波形

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Digital PMIC Design

=>

=>

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ADC & DPWM Design

Specification

Value

Units

VFS

5

V

Vref

1.5

V

qvo(A/D)

5/1024

V

qvs(A/D)

1.5/1024

V

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14

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Digital compensator Design

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16

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AC/DC DC/AC

17

台科大電力電子實驗室

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18

數位化雙模式功因修正技術(1.3 kW)

台科大電力電子實驗室

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具輸出電壓快速暫態響應功因修正技術(1.3 kW)

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傳統平均電流控制暫態變載波形

快速響應功因修正控制方塊圖

新型具快速響應功因修正暫態變載波形

台科大電力電子實驗室

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使用重複控制與分散式突衝模式之低電流諧波功率因數修正器

PFC with Repetitive Control

Conventional Hysteretic Burst Mode

Sawtooth Burst Mode(分散式突衝模式)

台科大電力電子實驗室

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1.傳統遲滯突衝模式

2.本研究提出之分散式突衝模式

3.交流週期跳躍突衝模式

Vout

PWM

PWM

Iin

PWM

Iin

6% Load

PF

THD

Efficiency

No Burst

0.972

0.2

89

Swatooth Burst Mode

0.75

0.82

92

Conventional Hysteretic Burst Mode

0.47

1.75

93

AC Cycle Skipping Burst Mode

0.5

0.85

95

4% Load

PF

THD

Efficiency

No Burst

0.97

0.21

88

Swatooth Burst Mode

0.6

1.02

91

Conventional Hysteretic Burst Mode

0.42

1.97

92

AC Cycle Skipping Burst Mode

0.43

0.93

94

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​

230V

​

RC

NO RC

​

iTHD

PF

iTHD

PF

10%

0.1826

0.9228

0.203

0.9072

20%

0.1767

0.9438

0.1931

0.9294

30%

0.1329

0.9786

0.1541

0.9579

40%

0.1083

0.987

0.1377

0.9721

50%

0.0694

0.991

0.0819

0.98

60%

0.0435

0.9936

0.0612

0.9862

70%

0.0397

0.9951

0.054

0.9893

80%

0.0352

0.9966

0.0455

0.9928

90%

0.0328

0.9967

0.0446

0.9931

100%

0.0332

0.9972

0.0416

0.9942

​

90V

​

RC

NO RC

​

iTHD

PF

iTHD

PF

10%

0.1683

0.9322

0.1824

0.9182

20%

0.1648

0.9515

0.1698

0.9389

30%

0.1023

0.9881

0.1345

0.9754

40%

0.0789

0.9907

0.0862

0.9878

50%

0.0612

0.992

0.0772

0.9908

60%

0.0572

0.9952

0.0649

0.9932

70%

0.0482

0.9943

0.0581

0.9933

80%

0.0529

0.9954

0.0648

0.9935

90%

0.063

0.9923

0.0838

0.9903

100%

0.0884

0.9931

0.0726

0.9911

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Efficiency(%)

 

Repetitive Control

No Repetitive Control

Load(%)

90V

230V

90V

230V

10

97.51

93.54

95.43

90.35

20

97.48

93.72

95.29

90.68

30

97.38

95.68

96.83

92.85

40

96.31

95.75

96.21

93.28

50

96.21

95.93

96.1

93.94

60

95.98

96.87

95.83

95.89

70

95.88

96.76

95.72

96.91

80

95.95

97.73

95.77

97.42

90

92.85

98.87

92.58

98.74

100

90.82

99.08

90.27

98.78

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Totem-Pole多模組並聯雙向功率傳遞控制技術(3.3 kW)

24

整流模式控制系統

換流模式並聯控制系統圖

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25

換流模式開機暫態並聯實測波形

整流模式180 Vac(rms)輸入、100%負載實測波形

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26

多模組並聯穩定度分析

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27

Totem- Pole 虛擬同步發電機控制之單相併網型換流器

​

系統架構圖

系統數位控制圖

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28

虛擬同步發電機併網波形(fgrid = 60 Hz)

虛擬同步發電機併網波形(fgrid = 59.2 Hz)

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虛擬同步發電機併網之暫態波形(fgrid = 60 Hz)

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高功率密度多階層Totem-Pole 功因修正器

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Test Condition ( VAC = 230V, VO = 380V)

Po = 1000W

Po = 2000W

CH1 : VAC

CH2 : IL

CH1 : VAC

CH2 : IL

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230 With SR

115 With SR

230Vrms Peak Eff 99.1% @Po = 1300W

115Vrms Peak Eff 97.9% @Po = 800W

High Line and Low Line Efficiency Comparison

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34

步階式氣隙電感設計應用於Peak-Power

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35

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36

具虛功補償雙向功率傳遞三相四線T型(Vienna)轉換器

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37

換流模式控制圖

整流模式控制圖

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38

整流模式之三相電壓與a相電流波形

整流模式之直流電壓與三相電流波形

換流模式之三相電壓與a相電流波形

換流模式之三相電壓與a相電流波形

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39

功率因數0.8(lagging)

功率因數0.8(leading)

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40

整流模式至換流模式波形

換流模式至整流模式波形

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41

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42

虛擬同步發電機小訊號控制方塊圖

T型換流器電路控制方塊圖

T型三相換流器虛擬同步發電機控制技術

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44

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雙向功率傳遞ANPC轉換器

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SiC 功率開關

GaN 功率開關

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Inverter Mode 10 kW

46

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PFC Mode 10 kW

47

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DC/DC

48

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49

半週期取樣電流模式控制LLC諧振轉換器(1.3 kW/Vo=12 VDC)

電流模式控制小訊號等效電路

電流模式控制電路圖

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50

輕載

滿載

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51

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52

本研究提出之輕載波谷切換控制LLC諧振轉換器

控制方塊圖

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53

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54

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55

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56

本研究提出虛擬電阻抑制LLC諧振式轉換器於啟動時之湧浪電流

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PFM 軟啟動模式

虛擬電阻 軟啟動模式

輸入385 V、輸出22 V/5 A實測波形圖

(vGS1: 20 V/div、iLr: 2 A/div、Time: 500 μs/div)

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58

步階式氣隙變壓器延伸LLC轉換器輸出電壓維持時間

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59

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60

傳統氣隙變壓器輸出維持時間波型圖(3.3 kW)

步階式氣隙變壓器輸出維持時間波型圖(3.3 kW)

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61

LLC+AHB混和模式切換:USB PD3.1

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項目

規格參數

最大輸出功率Pout,max

240 W

輸入電壓Vin

PFC on : 385 Vdc

PFC off : 127~325 Vdc

輸出電壓Vout

Fixed Voltage :

5、9、15、20、28、36、48 Vdc

EPR AVS : 15~48 Vdc

切換頻率fsw

< 150 kHz

輸入385 V、輸出48 V/5 A實測波形圖

輸入325 V、輸出15 V/3 A實測波形圖

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64

寬輸出電壓範圍:LLC相移同步整流預導通控制

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66

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67

寬輸出電壓範圍(電動載具充電):CLLC 轉換器次級側延遲導通控制

次級側延遲導通控制的時序圖

次級側延遲導通控制增益曲線

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68

電池的電壓電流關係 (a)充電模式(b)放電模式

次級側延遲導通控制之初級側穩態波形

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69

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70

中性點電流(a)領前狀態動作時序 (b)落後狀態動作時序

(b)

(a)

三階層CLLC轉換器

三階層CLLC諧振轉換器電容均壓控制技術

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71

 

未加入中點電壓

加入中點電壓

VC11

242.9 V

256.6 V

VC12

267.1 V

253.4 V

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72

變壓器Y-Y連接型三相LLC諧振轉換器

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73

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74

交錯式三相Y-Δ接轉換器動作區間

交錯式Y-delta型LLC+DAB諧振轉換器均流控制技術

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滿載兩台模組並聯輸出電流均流波形

滿載各模組功率開關相移角度波形

兩台模組並聯且錯相30˚之波形

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補充

無 CM choke

加入 CM choke

無 CM choke

加入 CM choke

高頻平板變壓器EMI電磁干擾抑制設計

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Fringing effect eliminate

t= 4 μs

Gap_length

Gap_length

Copper lose

1.8 W

Inductor current

t=4.6 μs

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WPT3/Z2切換式電容拓樸電路圖

初級側(GA)充電盤結構

接收端(VA)充電盤結構

符合電動車J2954法規11.1 kW無線充電器

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輸出電壓電流Vo = 450 V/Io = 25 A時諧振電流、初級側逆變器輸出電壓、切換式電容開關訊號與切換式電容開關跨壓波形

輸出電壓電流Vo = 450 V/Io = 25 A時諧振電流、初級側逆變器輸出電壓、切換式電容開關訊號與切換式電容開關跨壓波形

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晶背供電模組

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Maxwell(UU core 9*8.5*6 mm)

3 mm

2.9mm

Maxwell建立模型

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Maxwell(UU core 9*8.5*6 mm & Air gap = 0.03mm)

集膚效應 & 鄰近效應

磁通密度

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Vin

Vout

Gnd

PWM

模組

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主動箝位ZVS高升壓比轉換器

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88

Coming Soon