ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------O0o ................

PHẠM PHÚ CƯỜNG

THIẾT KẾ VI MẠCH BUCK CONVERTER
TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 180NM
Chuyên nghành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 2017


Công trình được hoàn thành tại: trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HOÀNG TRANG
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trương Quang Vinh ..................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Minh Sơn .....................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày 05 tháng 01
năm 2017
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch hội đồng: GS. TS. Lê Tiến Thường .....................................................................
2. Thư ký: TS. Trương Công Dung Nghi ...............................................................................
3. Phản biện 1: TS. Trương Quang Vinh ...............................................................................
4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Minh Sơn ..................................................................................
5. ủy viên: TS. Bùi Trọng Tú .................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: .................... Phạm Phú Cường ................................. MSHV:....13141116
Ngày, tháng, năm sinh: ..................... 12/12/1985 ............................... Nơi sinh: ....Cần Thơ ...........
Chuyên ngành: .......................... Kỹ thuật điện tử ................................ Mã số : .. ..60520203 ....
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH BUCK CONVERTER TRÊN NỀN CÔNG
NGHỆ 180NM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu các phương pháp giảm áp dành cho bộ sạc pin hiện nay. Từ đó chọn được một
bộ giảm áp phù hợp với điều kiện công nghệ CMOS tại Việt Nam.

- Khảo sát cấu hình của bộ buck hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp. Đề xuất cấu trúc bộ
buck converter và các khối chức năng của bộ buck converter.

- Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số lý thuyết của các khối chức
năng trong bộ giảm áp chuyển mạch.


-

Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink.

- Thiết kế mạch buck converter công nghệ 180nm trên phần mềm Cadence Virtuoso Analog
Design.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : .................................. 06/07/2015...............................................
IV.
V.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .................. 04/12/2016 ...........................................
CÁN BỘ HUỚNG DẪN : .................. PSG. TS HOÀNG TRANG .............................
Tp. HCM, ngày .... thảng.. . . năm 20....

CÁN BỘ HUỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lòi cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng Trang, người
đã tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Không chỉ hỗ trợ về mặt
kiến thức và ủng hộ tinh thần, thầy còn tạo điều kiện về trang thiết bị máy móc, phần mềm để em
có thể thực hiện mô phỏng kết quả luận văn một cách tốt nhất.
Xin chân thành cảm ơn thầy Trương Quang Vinh và các bạn là thành viên tại IC Design

LAB 116 đã đồng hành và hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu tại lab.
Cám ơn bạn Nguyễn Minh Hiếu đã hỗ trợ trong những ngày đầu làm quen với thiết kế vi
mạch.
Anh xin cảm ơn vợ và con gái đã cổ vũ và ủng hộ nhiệt tình để anh yên tâm học tập và nghiên
cứu. Cảm ơn ba mẹ và người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong thời gian học tập xa nhà.
Mặc dù luận văn đã được hoàn thành với tất cả mọi nỗ lực của bản thân, song không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn.
Tp. Hồ Chi Minh, ngày ....thảng............ năm ....
Tác giả

Phạm Phú Cường

IV


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tiếng Việt:
Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các thiết bị y
sinh cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc sống. Bộ chuyển đổi điện
áp DC sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay DC regulator) được sử dụng rất rộng
rãi trong các bộ sạc của thiết bị di động, biến đổi các nguồn năng lượng sạch thành điện năng.
Không chỉ có độ ổn định điện áp và dòng điện mà nó còn có hiệu suất chuyển đổi năng lượng
cao. Sự biến đổi năng lượng từ các bộ chuyển đổi DC DC cấp điện cho một thiết bị hoạt động với
điện áp thấp hơn thường thông qua các nguồn điện như nguồn adaptor; usb port; pin năng lượng
mặt trời hoặc xe điện. Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo ra nhiều mức điện
áp khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong cùng một
hệ thống. Yêu cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau khi được điều chỉnh phải có độ gợn áp thấp
để đảm bảo điện áp ra không đổi và ổn định theo tải ngõ ra cho phép.
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến bộ chuyên đổi buck giảm áp điện một
chiều bằng phương pháp xung, thực hiện trên mô phỏng hoạt động vi mach trên nền công nghệ

180nm. Trong báo cáo này, Chương 3 được trình bày tổng quan so sánh kỹ thuật chuyển đổi điện
áp LDO và SMPS , hoạt động bộ chuyển đổi buck, trình bày phương pháp tính toán các các linh
kiện chính, ổn định tần số. Chương 4, trình bày tính toán các thông số mạch lọc buck theo yêu
cầu đặt ra. Chương 5 thực hiện mô phỏng dạng khối bộ buck với mô hình bù loại 3, với mục tiêu
định hướng các tham số trước khi thiết kế khối chức năng vi mạch cần thiết trong Chương 6.
Chương 7 trình bày quá trình mô phỏng và kết quả thực hiện. Chương 8, kết luận của tác giả và
hướng phát triển đề tài.
Luận văn đã thực hiện thành công mô phỏng bộ chuyển đổi buck trên hai cấp độ dạng
khối trên Matlab và mô phỏng vi mạch bằng phần meemftn Cadence sử dụng mạch bù tần số loại
3. Mô phỏng thực hiện trên thư viện vi mạch 180nm CMOS TSMC 1P6M cho hiệu suất 80% có
khả năng chuyển đổi điện áp từ 5V đến 40V thành 3.3V ± 6mV, với tải đạt 500mA ± lmA. Tần
số chuyển mạch của bộ chuyển đổi 2MHz, phần lõi vi mạch điều khiển hoạt động điện áp 1.8V.

5


English
In the 21st century, the fast growing demand of portable and battery-operated electronic
systems has driven the efforts to reduce power consumption or to improve the efficiency of these
electronic equipments. Regulators are essential for most electrically powered systems which
include the prevalent chargeable equipments and DC power converter. Regulators are required to
reduce the voltage variations from USB port, solar cell, lead acid battery, etc. Besides, regulators
are often utilized to provide a lower voltage from a higher input voltage for power reduction.
Current trend in portable or battery-powered electronics demands high operating efficiency to
prolong the service time of these battery-operated equipments. Switched Mode Power Supply
(SMPS) is the most prevailing architecture for DC power supply in the systems, primarily for its
capability to handle variable loads. Thank to development of integrated circuit technology, the
power stages converter are driven by a low power consumption controller in CMOS level for
small design, high speed and efficiency.
In this work, the buck converter system using compensation type 3 is implemented in

both Matlab/Simulink and Virtuoso Cadence with nearly the same results. Simulations are done
on 180nm CMOS TSMC 1P6M and show the efficiency with 80%, the converter generate output
voltage 3.3V ± 6mV and max load current 500mA ± 1mA from 5 - 40V input at the switching
frequency of 2MHz. The controller work with power supply 1.8V voltage.

6


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng:
Mọi số liệu và kết quả trình bày trong luận văn thạc sĩ này là hoàn toàn trung thục và chua
từng đuợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Phú Cường

viii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẰU .............................................................................................................. X
1.1

Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 1

1.2

Mục đích nghiên cứu: ................................................................................................... 3


1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ............................................................................... 3

1.3.1

Đối tượng nghiên cứu: ........................................................................................ 3

1.3.2

Phạm vi nghiên cứu: ............................................................................................. 3

1.4

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 3

1.4.1

Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 3

1.4.2

Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................... 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ......................................................................... 10
2.1

Tình hình nghiên cứu ngoài nước............................................................................... 10

2.2


Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................... 11

2.3

Nhiệm vụ của luận văn: .............................................................................................. 12

2.3.1

Mục tiêu luận văn................................................................................................ 12

2.3.2

Nhiệm vụ luận văn .............................................................................................. 13

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
3.1

Các phương pháp chuyển đổi điện áp một chiều ........................................................ 15

3.1.1

Giảm áp tuyến tính (LDO) .................................................................................. 15

3.1.2

Bộ nguồn xung (SMPS) ...................................................................................... 17

3.2


Bộ chuyển đổi buck .................................................................................................... 18

3.2.1

Hoạt động: ........................................................................................................... 18

3.2.2

Các thành phần cơ bản của mạch chuyển đổi buck: ........................................... 21

3.2.3

Ôn định tần số và mạch bù tần số loại 3 ............................................................. 31

3.3

Đặc tả kỹ thuật cho đề tài ........................................................................................... 36

3.3.1

Điện áp nguồn cấp .............................................................................................. 36

3.3.2

Công nghệ CMOS 180nm ................................................................................... 37

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ TẦNG CÔNG SUẤT ........................................... 33
4.1

Thông số đề xuất: ....................................................................................................... 33


4.1.1

Duty cycle (D): ................................................................................................... 33

4.1.2

Gợn dòng qua cuộn dây (AIL): ............................................................................ 34

4.1.3

Chọn cuộn dây .................................................................................................... 34

4.1.4

Chọn tụ điện ngõ ra ............................................................................................. 35

viii


4.2

Khảo sát đáp ứng tần số ............................................................................................. 36

4.2.1

Khảo sát đáp ứng bước ...................................................................................... 36

4.2.2


Khảo sát độ ổn định của bộ lọc buck: ................................................................ 37

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH CHUYÊN ĐỔI BUCK TRÊN
MATLAB/SIMULINKS.......................................................................................................... 40
5.1

Mô phỏng khối công suất ........................................................................................... 40

5.2

Mô phỏng khối điều chế xung .................................................................................... 42

5.3

Phân tính đặc tính tần số của bộ lọc buck: ................................................................. 43

5.4

Thiết kế mạch bù loại 3 .............................................................................................. 44

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ VI MẠCH CÁC KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIÊN ......................... 49
6.1

Mạch tạo xung dao động: ........................................................................................... 49

6.2

Mạch lọc răng cưa ...................................................................................................... 51

6.3


Comparator ................................................................................................................. 52

6.4

Mạch dịch mức (Level Shifter) .................................................................................. 55

6.5

Thiết kế mạch chống chồng lấp xung:........................................................................ 56

6.6

Thiết kế MOSFET công suất dạng ngăn xếp ............................................................. 58

6.7

Mạch điệm:................................................................................................................. 60

6.8

Thiết kế mạch vi sai và mạch bù loại 3: ..................................................................... 61

6.8.1

Thiết kế Opam .................................................................................................... 61

6.8.2

Thiết kế mạch bù loại 3: ..................................................................................... 63


CHƯƠNG 7
7.1

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ..................................................................... 66

Đánh giá độ bù pha của hệ thống vòng hở trước và sau khi qua bộ bù 3 ................... 66

7.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống chuyển đổi buck với các giá trị điện áp vào
khác nhau .............................................................................................................................. 68
7.2.1

Đáp ứng ngõ ra vout theo thời gian: ..................................................................... 68

7.3

Line Regulation: ......................................................................................................... 72

7.4

Load Regulation ......................................................................................................... 72

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN ....................................................... 74
8.1

Kết luận: ..................................................................................................................... 74

8.2

Hướng phát triển trong tương lai ................................................................................ 75


IX


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Sự phân bố điện áp một chiều trong hệ thống SOCs
Hình 1-2. Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều
Hình 2-1. Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng di
động, hoặc cấp nguồn khối vi điều khiển.
Hình 2-2. Qui trình thiết kế vi mạch tương tự
Hình 3-1.: Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng vccs
Hình 3-2. Dạng mạch cơ bản của bộ ổn áp tuyến tính sau chỉnh lưu
Hình 3-3: Mạch buck converter
Hình 3-4: Mạch buck cơ bản
Hình 3-5: Dòng điện qua cuộn dây IL ở trạng thái xác lập
Hình 3-6. Dòng điện qua cuộn dây qui định trạng thái CCM(a) hay DCM (b)
Hình 3-7. Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi buck dùng MOSFET.
Hình 3-8. Dòng dẫn qua hai MOSFET tăng vọt khi Q1 và Q2 đều dẫn
Hình 3-9. Mạch lái dùng cổng NOT có dạng Taper Buffer
Hình 3-10: Dòng qua cuộn dây ở trạng thái xác lập
Hình 3-11: Mạch buck khi Q1 đóng, Q2 ngưng dẫn
Hình 3-12: Mạch Buck khi Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn
Hình 3-13. Đồ thị biểu diễn dòng điện qua cuộn dây (a) và dòng điện qua tụ điện (b)
Hình 3-14: Sự vọt lố và gợn áp ở ngõ ra khi thay đổi tải.
Hình 3-15: Mạch Buck converter trong trạng thái Q1 mở có tụ điện ngõ vào
Hình 3-16. Dùng cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ ra
Hình 3-17. Mạch khuếch đại vi sai và mạch điều chế xung
Hình 3-18. Nguyên lí điều chế xung
Hình 3-19. Sơ đồ dạng khối bộ chuyển đổi buck
Hình 3-20. Đáp ứng tần số của khối mạch lọc buck


X


Hình 3-21. Mạch bù tần số loại 2
Hình 3-22. Đáp ứng tần số mạch bù loại 2
Hình 3-23. Mạch bù tần số loại 3
Hình 3-24. Đáp ứng tần số mạch bù loại 3
Hình 4-1: Sự vọt lố của điện áp ngõ ra khi thay đổi tải.
Hình 4-2. Mạch khảo sát đáp ứng bước và đáp ứng tần số
Hình 4-3. Khảo sát đáp ứng bước chọn giá trị c và L.
Hình 4-4. Đáp ứng bước của bộ lọc đã chọn
Hình 4-5. Testbench khảo sát độ ổn định của bộ lọc
Hình 4-6. Dạng sóng lần lượt dòng qua cuộn dây; dòng qua tải; gọn áp; xung tác động; dòng
điện do chuyển mức
Hình 4-7. Đặc tính mạch lọc buck khi điện áp vào thay đổi
Hình 4-8. Dòng điện qua MOSFET trong trường hợp chồng lấp xung của NMOS và PMOS(a)
và không chồng lấp (b)
Hình 5-1. Các khối mô phỏng trên SIMULINK
Hình 5-2. Mô hình toán học của chuyển đổi buck thông qua các khối
Hình 5-3. Tạo xung điều độ rộng PWM
Hình 5-4. Tạo xung dương tam giác
Hình 5-5. Tham số bộ bộ tạo răng cưa.
Hình 5-6. Đáp ứng tần số theo độ lợi và pha
Hình 5-7. Đáp ứng dòng điện tải của bộ buck chưa có bộ bù (Vin =5V; D=0.66V; Vo=3.3V)
Hình 5-8. Các tham số mạch bù được mô hình bằng hàm truyền bởi cực và zero
Hình 5-9. Đáp ứng tần số của mạch bù loại 3 và vòng lập hệ thống kín thông qua mô phỏng
MATLAB/Simulink.
Hình 5-10. Đáp ứng của bộ chuyển đổi buck khi có bù loại 3
Hình 5-11. Các đáp ứng do chuyển mức tải (lOmA đến 500mA và ngược lại)

Hình 5-12. Đáp ứng thay đổi điện áp (5*-> 40V)
Hình 5-13. Sự thay đổi gợn áp trong quá trình mô phỏng
Hình 5-14. Đo thời gian khởi động hệ thống đến khi ổn đinh.
Hình 5-15. Khối điện áp tham chiếu được thay bằng khối soft-start.
Hình 5-16. Điện áp ngõ ra tăng đều và giảm vọt lố so với Hình 5-14.
Hình 6-1. Mạch dao động dạng vòng sử dụng N số lẻ cổng đảo

XI


Hình 6-2. Bộ tạo xung dao động
Hình 6-3. Dạng sóng ngõ ra của bộ tạo xung
Hình 6-4. Kiến trúc mạch lọc tạo xung tam giác
Hình 6-5. Mạch lọc răng cưa
Hình 6-6. Testbench khảo sát thông số mạch lọc
Hình 6-7. Đáp ứng trans của mạch lọc với điện áp phân cực vbias = 900mV
Hình 6-8. Kiến trúc comparator tạo xung điều chế
Hình 6-9. Mô phỏng đáp ứng tần số và đặc tuyến DC của comparator
Hình 6-10. Testbench xác định giới hạn độ rộng xung
Hình 6-11. Xung điều chế với điện áp so sánh Vea = 914mV
Hình 6-12. Khoảng cách gần nhất hai xung rộng nhất và bề rộng xung hẹp nhất
Hình 6-13. Mạch dịch mức
Hình 6-14. Đồ thị chuyển mức ngõ vào vin xuống thấp, thời gian chuyển mức tf = 118ps
Hình 6-15. Tín hiệu vào vin; tín hiệu ra vo; tín hiệu chuyển mức shifted vo
Hình 6-16. Đáp ứng mạch dịch mức khi điện áp thay đổi từ 5V đến 40V trong 20us
Hình 6-17. Dòng điện do sự chuyển mức.
Hình 6-18. Sự chồng lấp hai xung gây ra dòng vọt lố
Hình 6-19. Cấu hình mạch tạo xung không chồng lấp
Hình 6-20. Hai xung không chồng lấp từ thiết kế
Hình 6-21. Kiến trúc cổng NOT (a) và cổng NOR (b)

Hình 6-22. Khối mạch Stacked MOSFET Push Pull
Hình 6-23. Dạng sóng ngõ ra MOSFET công suất với điện áp cung cấp 5V, tải 100ÍÌ
Hình 6-24. Đáp ứng ngõ ra ứng với điện áp cung cap 40V, tải 6.6 Ohm
Hình 6-25. Thiết kế khối mạch đệm có dạng nhiều tầng cổng NOT
Hình 6-26. cấu hình OPAMP hai tầng
Hình 6-28. Mô phỏng đặc tuyến AC và đặc tuyến DC ngõ ra
Hình 6-29. Đáp ứng sin
Hình 6-30. Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp vào 40V và dòng tải 500mA Hình 6-31.
Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp 40V và không dòng tải
Hình 7-1. Hệ thống mạch chuyển đổi buck với mạch bù loại 3
Hình 7-2. Testbench đánh giá độ bù pha và biên độ của bộ bù loại 3

xiii


Hình 7-3. Đồ thị biểu diễn đáp ứng ngõ ra vout và ngõ ra mạch vi sai theo tần số
Hình 7-4. Nguồn lý tưởng sử dụng
Hình 7-5. Ngõ ra theo thời gian điện áp cung cấp Vsuppply = 8V, dòng tải lout = 500mA.
Hình 7-6. Đáp ứng ngõ ra theo thời gian tại điện áp nguồn 20V, dòng tải 500mA.
Hình 7-7. Đặc tuyến hiệu suất theo điện áp cung cấp tương ứng các mức tải
Hình 7-8. Đặc tuyến hiệu suất theo tải tiêu thụ ứng với hai mức điện áp cấp là 7V và 24V
Hình 7-9. Độ biến đổi gợn áp
Hình 7-10. Sự thay đổi chu kỳ tác vụ D, hay thời gian mở của PMOS công suất
Hình 7-11. Đáp ứng bước điện áp Vsupply (10V đến 20V tốc độ lV/us)
Hình 7-12. Đáp ứng bước ngõ ra phóng gần trong khoảng lOOus đến 170us.
Hình 7-13. Đáp ứng ngõ ra vout khi thay đổi dòng trên tải.

xiii



DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 3-1. Bảng so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa LDO và SMPS
Bảng 3-2. Các linh kiện MOSFET trong thư viện 180nm TSMC 1P6M Bảng 3-3. Một số tham
số của thư viện pmos phân bố theo w và L Bảng 4-1. Bảng thông số bộ chuyển đổi buck đề
xuất thực hiện
Bảng 4-2. Tính thời gian bật và tắt của MOSFET công suất
Bảng 4-3. Xác định các giá trị cuộn dây theo diện áp
Bảng 4-4. Tham số tụ điện'
Bảng 4-5. Tham số bộ lọc buck
Bảng 5-1. Tham số yêu cầu của bộ buck
Bảng 5-2 Các giá trị được tính ở bộ lọc buck
Bảng 5-3. Các giá trị cực và zero của mạch bù loại 3
Bảng 6-1. Thông số bộ tạo dao động
Bảng 6-2. Bảng giá trị kích thước bộ tạo xung
Bảng 6-3. Bảng giá trị mạch lọc
Bảng 6-4. Thông số CMOS của bộ so sánh
Bảng 6-5. Độ biến thiên độ rộng xung của khối PWM
Bảng 6-6. Thông số mạch dịch mức
Bảng 6-7. Thông số cổng NOT và cổng NOR
Bảng 6-8. Thông số tầng MOSFET công suất
Bảng 6-9. Thông số mạch điệm
Bảng 6-10. Thông số kỹ thuật OPAMP
Bảng 6-11. Thông số của OPAMP 2 tầng
Bảng 6-12. Tham số cực và zero của mạch bù loại 3
Bảng 6-13. Các giá trị linh kiện trong mạch bù loại 3

XIV


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT


SMPS

Switching mode power supply

LDO

Linear Dropout Voltage Regulation

VMC

Voltage Mode Control

CMC

Current Mode Control

CCM

Continuous Conduction Mode

DCM
CMOS

Discontinous Conduction Mode
Complementary Metal-Oxide- Semiconductor

PWM

Pulse Width Modulation


PFM

Pulse Frequency Modulation

vccs

Voltage Controlled Current Source

XI


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1

Lý do chọn đề tài
Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các thiết bị y sinh

cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc sống. Bộ chuyển đổi điện áp DC
sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay DC regulator) trở thành một bộ phận rất quan
trọng chuyển hóa năng lượng pin cấp nguồn cho các thiết bị di động trên. Bên cạnh đó, các pin cấp
nguồn thường sử dụng pin sạc và được sạc từ các nguồn adaptor; usb port; pin năng lượng mặt trời
hoặc xe điện thường có điện áp cao hơn so với điện áp cung cấp của pin.

Adaptor/ USB port


Hình 1-1. Sự phân bổ điện áp một chiều trong hệ thong SOCs [1]


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau
phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong cùng một hệ thống [2]. Yêu
cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau khi được điều chỉnh phải có độ gọn áp thấp để đảm bảo điện
áp ra không đổi và ổn định theo tải ngõ ra cho phép.
Một khối mạch điều chỉnh điện áp thường được mô tả bằng hình dưới:

Hình 1-2. Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều
Nguyên lý biến đổi điện áp: Chuyển từ công suất ngõ vào thành công suất ở ngõ ra với biến
đổi về dòng Lut và áp ngõ ra Vout. Để giữ điện áp ngõ ra không đổi, trong hệ thống sử dụng mạch
hồi tiếp về khối so sánh và bù theo điện áp tham chiếu. Từ đó một tín hiệu điều khiển sẽ tác động
vào mạch công suất, nơi thực hiện chuyển đổi điện áp và dòng sao cho đúng với yêu cầu của hệ
thống. Một bộ chuyển đổi điện áp có hiệu suất cao khi công suất ngõ ra gần bằng với công suất ngõ
vào.
Kỹ thuật điều chỉnh điện áp thường sử dụng 2 kỹ thuật chính là kỹ thuật điều chỉnh tuyến
tính (LDO Linear dropout regulator) và kỹ thuật nguồn xung (SMPS Switching mode power supply).
Trong đó kỹ thuật nguồn xung nổi trội hơn với hiệu suất cao.
Ỏ Việt Nam, sự phát triển công nghệ vi mạch đang triển mạnh trong lĩnh vực gia công và
thiết kế chip, bên cạnh các đề tài nghiên cứu về thiết kế chip xử lí âm thanh, hình ảnh... Nhu cầu
thiết kế bộ nguồn xung dạng vi mạch tích hợp trong các chip xử lí nhằm cung cấp năng luợng cho
các hoạt động của vi mạch trên chip. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, tôi xin chọn đề tài: “Thiết

kế mạch giảm áp xung một chiều (buck converter) hiệu suất cao sử dụng công nghệ vi


2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

mạch 180nm'\
Mục đích nghiên cứu:

1.2

Thục hiện thành công thiết kế bộ giảm áp một chiều điều khiển xung Buck converter trên nên
công nghệ vi mạch 180nm biến đổi điện áp 5 - 40 V thành 3.3V với dòng điện trên tải không duới
500mA, gọn áp khoảng 10% điện áp ngõ ra Vout, và gọn dòng 30% dòng điện trên tải. Và hiệu suất
hệ thống trên 80%.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1.3
1.3.1

Đối tượng nghiên cứu:

- Mô hình CMOS 180nm các tham số sử dụng để thiết kế.
- Phần mềm Matlab: Hệ thống buck converter trên nền Matlab/Simulink.
- Nguồn ổn áp xung dạng vi mạch: Khối công suất, hồi tiếp, bộ tạo dao động, bộ tạo răng cưa, bộ
khuếch đại so sánh và các loại mạch bù, thiết kế MOS công suất.

- Các phương pháp cải tiến hoặc khối chức năng nhằm cải tiến hiệu suất.
1.3.2


Phạm vi nghiên cứu:

- Bộ Buck Converter điều khiển thông qua hồi tiếp điện áp.
- Các tham số cơ bản process CMOS 180nm dùng trong thiết kế
- Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Virtuoso Candence 6.15.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1.4
1.4.1

Ý nghĩa khoa học

- Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm phong phú thư viện vi mạch sử dụng công nghệ
180nm tại Việt Nam.

- Là cơ sở để ứng dụng, cải tiến và hoàn chỉnh hệ thống trong các hệ thống vi mạch thực tế, góp
phần làm phong phú thư viện vi mạch trong nước.
1.4.2

Ý nghĩa thực tiễn
Với điện áp điều khiển cao từ 5V đến 40V chuyển thành mức điện áp 3.3V với dòng tải đạt

500mA có thể đuợc ứng dụng trong nhiều hệ thống hiện đại ở Việt Nam nhu ứng dụng pin mặt

3


Luận văn thạc sĩ


GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

trời, xe điện và điều khiển LED.

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1

Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các mạch chuyển đổi điện áp bằng phương pháp xung được nghiên cứu rất sớm. Trong [3],

M. Cuk đã phân tích mô hình hoá và thiết kế các bộ chuyển đổi điện áp một chiều. Từ đó nhiều
đề tài được thực hiện dựa trên việc phân tích không gian trạng thái và mô phỏng hệ thống chuyển
đổi buck. Bằng phương pháp mô hình hoá hệ thống dạng giải tích, phân tích không gian trạng thái
khối công suất và các mạch điều khiển dùng áp hoặc dùng dòng điện [4], Kasat đã mô phỏng thành
công trên Matlab với thông số hệ thống điện áp ngõ vào 15-25V, điện áp ngõ ra được điều chỉnh
5V, gợn áp <2%, mạch vi sai hoạt động ở tần số 250KHz. Trong năm 2013, Cheng Peng và Chia
JIU Wang dùng simscape MATLAB mô phỏng thành công hệ thống buck converter thông qua hai
chế độ PWM/PFM [5] với mục đích so sánh hiệu suất chuyển mạch chế độ PWM và PFM cải
thiện hiệu suất của bộ buck khi ở chế độ tải thấp.
Bên cạnh việc khai thác triệt để các đặc tính của hệ thống chuyển đổi buck, các hệ thống vi
mạch chuyển đổi buck cũng được phát triển mạnh mẽ với hiệu suất liên tục cải thiện. Năm 2005
[6], Yoeng-Tsair Lin và cộng sự thiết kế thành công bộ chuyển đổi giảm áp DC-DC converter
bằng kỹ thuật điều chế xung PWM được điều khiển bộ khuếch đại vi sai bù loại 2, kết quả đề tài

thực hiện giảm áp 3.3V xuống 1.0 đến 2.0V sử dụng công nghệ CMOS 350nm với hiệu suất 85%
khi công suất ngõ ra dao động trong khoảng 100 đến 900mW, tần số chuyển mạch 1MHz. Năm
2007, [7] Edoardo Bonizzonil và cộng sự của mình đã mở rộng điện áp hiệu chỉnh 2.6V đến 5V
trên vi mạch chuyển đổi buck sử dụng mạch khuếch đại vi sai và bù loại 1, cùng với chỉ dùng một
cuộn dây tạo hai điện áp ngõ ra cố định có khả năng thay đổi từ 1.2V đến 5V hiệu suất có thể cực
đại lên đến 93%, với tần số 1MHz, tuy nhiên tải mạch ngoài chỉ đạt 200mA, tụ điện và cuộn dây
sử dụng ngoài phần điều khiển. Tiếp tục mở rộng điện áp điều chỉnh 5V đến 10V [8], Rosario
Pagano và cộng sự phát triển thành công bộ chuyển đổi vi mạch buck dùng sạc pin Li-Ion dùng
cho các thiết bị không dây dựa trên kỹ thuật hồi tiếp dòng điện và mạch hồi tiếp điện áp bù loại 3
cho điện áp ngõ ra thay đổi trong khoảng 2.IV đến 4.2V, hiệu suất đạt 86% trong tần số chuyển
mạch 2.2MHz, dòng điện đạt 900mA sai lệch 9.4% ở 10V, sử dụng công nghệ 180nm. Năm 2014,
Yao Quian công bố bộ chuyển đổi của nhóm nghiên cứu có khả năng lụa chọn hoạt động điều
khiển PWM bằng hồi tiếp điện áp bù loại 3 hay PFM bằng hồi tiếp dòng điện qua cuộn dây nhằm

22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

cải thiện hiệu suất khi mạch hoạt động ở công suất thấp, hệ thống của tác giả có khả năng chuyển
đổi điện áp từ 2.7V đến 5.5V ra điện áp 0.6V đến 5.5V hiệu suất cục đại đạt 94%, dòng điện cung
cấp đạt 2000mA.
2.2

Tình hình nghiên cứu trong nước
Mạch giảm áp xung buck converter đã được nghiên cứu qua một số đề tài trong nước [9],

[10] các đề tài chủ yếu mô phỏng Matlab/Simulink hoặc được thiết kế bộ buck với linh kiện có

sẵn. Trong những năm gần đây, khi ngành thiết kế vi mạch phát triển xuất hiện đề tài thiết kế vi
mạch điện áp thấp [11] sử dụng kết họp kỹ thuật PWM/PFM và bypass hoặc thiết kế bộ buck trong
ứng dụng điều khiển LED công suất [12].

22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

2.3

Nhiệm vụ của luận văn:

2.3.1

Mục tiêu luận văn

Hình 2-1. Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng
di động, hoặc cap nguồn khối vi điều khiển.
Mạch chuyển đổi buck điều chỉnh điện áp cao thành điện áp thấp đuợc ứng dụng rất nhiều
trong các khối vi mạch, là một thành phần quan trong trong khối nguồn của các của các thiết bị di
động, mạch sạc pin điện thoại acquy. Các bộ chuyển đổi buck đuợc sử dụng nhằm cải thiện hiệu
suất giảm áp, tiết kiệm năng luợng bảo vệ môi trường. Bên cạnh đó với sự phát triển ứng dụng từ
nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm như sặc pin từ năng lượng mặt trời, hệ thống chuyển đổi năng
lượng trong các hệ thống xe điện, xe lai thì mạch giảm áp buck đóng vay trò quan trọng để chuyển
đổi điện áp cao từ các nguồn điện áp này thành mức điện áp cho các thiết bị di động nhỏ gọn, hoặc
cấp nguồn có các mạch ứng dụng trong hệ thống trên. Sơ đồ Hình 2-1 mô tả các khối cơ bản của
hệ thống chuyển đổi buck, trong đề tài luận văn này sẽ tập trung thiết kế vi mạch (màu xanh) gồm


22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

có: hệ thống điều khiển MOS SI và S2, đồng thời tích hợp hai MOS công suất này trong hệ thống
vi mạch, riêng phần mạch công suất chức năng buck (màu cam) sẽ được tính toán để mô phỏng.
2.3.2

Nhiệm vụ luận văn
Nhiệm vụ của luận văn được xây dựng trên qui trình thiết kế vi mạch tương tự được mô

tả bởi Hình 2-2. Phần thiết kế có thể chia làm 2 qui trình tuần tự là thiết kế thông số hệ thống
chung, sau đó thiết kế các module chức năng với các thông số phù hợp cho hệ thống, có thể thực
hiện mô phỏng Matlab để tìm thông số lý tưởng hệ thống hoặc định hướng kiến trúc mạch thiết
kế. Sau khi có thông số từng khối chức năng thì bắt đầu thực hiện tính toán bằng tay trên mô hình
mạch thực tế tương ứng với từng chức năng của các khối (hand calculation). Trong giai đoạn này
cần phải trích xuất các tham số của thư viện CMOS sử dụng để tính toán.
Sau khi có thông số các khối tương ứng với các mô hình mạch thực tế sử dụng, bắt đầu
mô phỏng bằng các công cụ mô phỏng Spectre trong Cadence Virtuoso để kiểm tra các thông số
kỹ thuật thiết kế. So sánh với thông số thiết kế và kết quả mô phỏng thông qua nguyên lý hoạt
động của kiến trúc mạch sử dụng để thực hiện hiệu chỉnh. Kết hợp thiết kế testbench và khảo sát
lại đặc tuyến của các CMOS trong điều kiện hoạt động để có thể chọn được tham số phù hợp với
thiết kế khối.
Cuối cùng sau khi hoàn thành thiết kế mạch buck ở cấp độ CMOS thì thực hiện thiết kế
layout hay còn gọi là thiết kế vật lý. Tuy nhiên do hạn chế công cụ và kinh nghiệm layout mạch.
Nên luận văn chỉ dừng lại phần mô phỏng vi mạch ở cấp độ CMOS bằng phần mềm Virtuoso

Cadence.

22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

Conception of the idea

4
4
4
4

Definition OÍ the design'
Comparison
with design
specifications

Implementation

Cùm parison
with design
specifications

Si mulaiion

Physical Definition


Physical Verification II

I
Parasitic Extraction

Fabrication
Tegt- jLìflcalijã
Testing and Verification!

Product

Hình 2-2. Qui trình thiết kế vi mạch tương tụ [13]

Theo quỉ trình trên thì nhiệm vụ của luận văn sẽ gồm cỏ các phần sau:
-

Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của mạch chuyển đổi buck và mô phỏng hoạt động
các khối cơ bản của bộ buck converter trên phần mềm Simulink/ Matlab

-

Thiết kế CMOS level mạch buck trên công nghệ CMOS TSMC 180nm.

-

Bảng đặc tả thông số kỹ thuật mô phỏng của mạch buck.

-


Bảng so sánh với các thiết kế đã công bố.
CHƯƠNG 3 . TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐỆN ÁP
MỘT CHIỀU

22


Luận văn thạc sĩ

3.1

GVHD: PGS. TS Hoàng Trang

Các phương pháp chuyển đổi điện áp một chiều

Biến đổi điện áp một chiều DC có bản chất là sự chuyển đổi năng lượng một chiều thông qua
điều chỉnh sự tương quan giữa mối quan hệ điện áp và dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra. Trong đó,
SMPS và LDO là hai phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các mạch biến đổi DC-DC.
3.1.1

Giảm áp tuyến tính (LDO)

Mô hình điều chỉnh điện áp tuyến tính có cấu trúc như Hình 3-1, là một mạch phân áp để điều
chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi giá trị biến trở. Mạch ổn áp tuyến tính gồm có hai phần chính:
phần điều chỉnh điện áp được sử dụng như là một biến trở (thường là transistor công suất được
phân cực hoạt động trong vùng tuyến tính) nối tiếp với tải ngõ ra. Khi điện áp vào Vin thay đổi sẻ
ảnh hưởng đến giá trị điện áp ngõ ra vo. Sự thay đổi điện áp ở ngõ ra vo sẽ được hồi tiếp dạng để
điều khiển trạng thái dẫn của transistor, và cho dòng qua transistor vào mạch ngoài mạnh lên hay
yếu đi. Phương thức điều khiển này có dạng vccs (Voltage Controlled Current Source) điện áp
ngõ ra Vo được so sánh với điện áp ngưỡng đặt trước vref để điều khiển nguồn dòng Is sao cho điện

áp ra bằng với điện áp ngưỡng.

Hình 3-1. : Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng KCCS [14]

22