Controlador de histéresis de bajo coste para convertidos buck síncrono multifase
Authors:   , Borrell Sanz Angel 
Published: August 2023

The multiphase synchronous buck converter is universally used today for powering low voltage, high current and high slew-rate loads, such as CPUs and other high performance digital ICs. This converter demands control techniques with high dynamical response in order to face large and fast load transients. In this regard, hysteretic regulators represent an excellent option due to their immediate reaction, unlimited duty cycle and outstanding capacity for handling large signal regimes.
The main contributions of much published work in the field of multiphase hysteretic controllers are current sharing and phase interleaving. However, the author is not aware of any studies describing a control scheme that integrates the main control functions for powering such demanding loads: output voltage regulation, adaptive voltage positioning, current sharing and phase interleaving. Nor is there a design methodology based on the closed-loop output impedance. This design would optimize the output voltage transient response and, in this way, the entire voltage tolerance window of the processor would be exploited. Thus, this research work presents a novel hysteretic controller for a multi-phase synchronous buck converter supplying low voltage, high current and high slew-rate loads along with a design methodology based on closed-loop output impedance analysis.
The single-phase hysteretic controller is the start point for this research work. Several authors have extensively treated the single-phase hysteretic controller. In this regard, a review of a low-cost single-phase control scheme is carried out first. The main feature of this controller is the lack of current sensing and processing circuitry in order to accomplish the adaptive voltage regulation. Then, the influence of variations of the inductor and output capacitor and the control parameters on the output impedance is studied. This has allowed for establishing a correspondence between each of the control parameters and the output filter components. The review finishes by implementing a synchronization system to achieve fixed switching frequency in steady state while maintaining the instantaneous reaction and optimal output-voltage response during transients.
At this point, a novel low-cost hysteretic controller for multiphase synchronous buck converters is presented. Two design alternatives for the controller are proposed. The first uses an equivalent single-phase converter to design the control parameters. This approximation is valid as long as the deviations between the phases of the converter are within the usual limits (+/- 15 %). The second does the same considering the exact model of the converter, achieving resistive output impedance regardless of the differences that exist between the phases.
Simulation and experimental results are reported in order to validate the features of the novel control scheme. From a practical point of view, the lack of current sensing and processing circuitry in the controller allow for a simple and low-cost implementation of the adaptive voltage positioning and current sharing with outstanding performance. The injection of an external synchronization signal has been proved to be a simple alternative in order to implement fixed switching frequency and phase interleaving operation.
Finally, the proposed controller achieves similar characteristics to the high performance controllers intended for powering low voltage, high current and fast transient loads, but with the additional advantage of simplicity and low-cost circuit implementation.
Actualmente, el convertidor buck síncrono multifase es universalmente utilizado para la alimentación de cargas dinámicas de baja tensión y elevada corriente como CPUs y otros circuitos integrados digitales de altas prestaciones. Este convertidor exige de técnicas de control
con alta respuesta dinámica para hacer frente a los grandes y rápidos transitorios de carga a los que es sometido. A este respecto, los reguladores de histéresis representan una excelente opción debido a su reacción inmediata, ciclo de trabajo ilimitado y excepcional capacidad para manejar régimen de gran señal.
Las principales aportaciones de la mayor parte de trabajos publicados en el campo de los controladores de histéresis multifase son distribución de corriente entre las fases y funcionamiento entrelazado. Sin embargo, el autor no tiene conocimiento de estudios que
describan un esquema de control que integre las principales funciones de control para la alimentación de tales exigentes cargas: regulación de tensión de salida con posicionamiento adaptativo, distribución de corriente y funcionamiento entrelazado. Tampoco existe una metodología de diseño basada en la impedancia de salida de lazo cerrado. Este diseño optimiza la respuesta transitoria de la tensión de salida y, de este modo, se puede aprovechar toda la ventana de tolerancia del procesador. Por lo tanto, este trabajo de investigación presenta un novedoso controlador de histéresis para convertidor síncrono multifase destinado a alimentar cargas dinámicas de baja tensión y alta corriente, junto con una metodología de diseño basada en el análisis de la impedancia de salida de lazo cerrado.
El controlador de la histéresis de una sola fase es el punto de partida de este trabajo de investigación. Varios autores han tratado ampliamente el controlador de histéresis de una sola fase. En este sentido, en primer lugar se lleva a cabo una revisión de un esquema de control de bajo coste de una sola fase. La característica principal de este controlador es la ausencia de circuitos de sensado y procesado de corriente para lograr la regulación de tensión adaptativa. El estudio de la influencia de las variaciones del inductor, condensador de salida y los parámetros de control y los componentes del filtro de salida. La revisión termina implementando un sistema de sincronización para lograr frecuencia fija de comunicación en estado estacionario, que mantiene la reacción instantánea y la respuesta transitoria óptima de la tensión de salida.
Llegado a este punto, se presenta un controlador de histéresis de bajo coste para convertidores buck síncrono multifase. Se proponen dos alternativas de diseño para controlador. La primer a utiliza un equivalente de convertidor de una sola fase para diseñar los parámetros de control. Esta aproximación es válida siempre y cuando las desviaciones entre las fases del convertidor están dentro de los límites habituales (+/-15%). La segunda hace lo propio teniendo en cuenta el modelo exacto del convertidor, logrando impedancia de salida resistiva independientemente de las diferencias que existan entre las fases.
Se presentan los resultados de simulación y experimentales con el fin de validar las características del esquema de control propuesto. Desde un punto de vista práctico, la ausencia de circuitos de sensado y procesado de corriente en el controlador permiten una implementación sencilla y de bajo coste para las funciones de regulación de tensión con posicionamiento adaptativo de reparto de corriente con buen rendimiento. La inyección de una señal de sincronización externa demuestra ser una alternativa simple a fin de obtener frecuencia fija de conmutación y funcionamiento entrelazado de las fases.
Finalmente, el controlador propuesto alcanza características similares alos controladores destinados a la alimentación de cargas de baja tensión y alta dinámica con la ventaja adicional de la simplicidad y el bajo coste de implementación.