title: Design, implementation and verification of a digitally configurable event- and time-based driver for control of various DC-DC converter topologies
Creators: name: Tilg, Christoph
Publisher: name: FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften

description: A generic driver is important for controlling various DC-DC converter topologies, as the control parameters to drive a topology are easily adjustable by loading a new configuration, even during operation. Conventional analogue drivers are limited by external wiring to cover the functionality required to drive various topologies. In contrast, digital drivers offer adaptability through reconfiguration. Therefore, this thesis aims to develop a digitally configurable driver, implementable in hardware, to provide the ability to drive various DC-DC converter topologies by reconfiguration. In order to design such a driver, the signal behavior of a Synchronous Buck converter, a Boost converter, an LLC resonant tank converter and an Isolated Flyback converter were analyzed, concepts for the configurable driver were proposed and a feasibility study of the concepts was carried out. The final concept was implemented using SystemVerilog. The state machine of the developed event- and time-based DC-DC driver (ETBD) is based on the Unified Modeling Language (UML) structure and stimulated by external comparators with associated signal processing, an internal timer and an event counter. A simple Excel-based tool facilitates the configuration and reconfiguration of the driver registers, which demonstrates the practicability and benefits of a digitally configurable driver. Simulations were used to verify the configurability by configure the ETBD to drive the analyzed topologies, followed by validation with a demo board based on the topology of the Isolated Flyback. The results show that the implemented digitally configurable event- and time-based DC-DC driver can effectively drive topologies with up to two switches operating in Continuous Conduction Mode (CCM), Boundary Conduction Mode (BCM) and Discontinuous Conduction Mode (DCM), with options for valley switching, peak current control or frequency control. Although some deviations from specifications were found, they were attributed to ideal calculation assumptions, register delays and non-ideal topology behavior. Next steps could be the refinement of this successful and application-oriented concept and the integration in real-world environments.
description: Ein generischer Treiber zur Ansteuerung unterschiedlicher DC-DC Topologien gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die Ansteuerung einer Topologie durch die Anpassung der Konfiguration eingestellt werden kann. Herkömmliche analoge Treiber bieten oft nur durch externe Beschaltung die Möglichkeit, verschiedene Topologien anzusteuern. Im Gegensatz dazu sind digitale Treiber rekonfigurierbar. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen digital konfigurierbaren Treiber zu entwickeln, der die Möglichkeit bietet, unterschiedliche DC-DC Topologien durch Rekonfiguration zu betreiben. Um einen solchen Treiber zu entwickeln, wurde das Signalverhalten eines synchronen Abwärtswandlers, eines Aufwärtswandlers, eines LLC - Resonanzwandlers und eines isolierten Flybacks analysiert, Konzepte für den konfigurierbaren Treiber erarbeitet und eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Das endgültige Konzept wurde mit SystemVerilog implementiert. Der Zustandautomat des entwickelten ereignis- und zeitbasierten DC-DC Treibers (ETBD) basiert auf der Struktur der Unified Modelling Language (UML). Dieser Zustandsautomat wird durch externe Komparatoren mit zugehöriger Signalverarbeitung, einem internen Timer und einem Ereigniszähler stimuliert. Ein einfaches Excel-basiertes Tool erleichtert die Konfiguration und Rekonfiguration der Treiberregister, was die Praktikabilität und die Vorteile eines vollständig digitalen, konfigurierbaren Treibers demonstrierten. Die Konfigurierbarkeit wurde mit Hilfe von Simulationen verifiziert, indem der Treiber so konfiguriert wurde, dass er die analysierten Topologien ansteuert, gefolgt von einer Validierung auf einem Demoboard basierend auf der Flyback Topologie. Die Ergebnisse zeigen, dass der implementierte digital konfigurierbare, ereignis- und zeitbasierte DC-DC Treiber Topologien mit bis zu zwei Schaltern erfolgreich ansteuern kann, die im Continuous Conduction Mode (CCM), Boundary Conduction Mode (BCM) und Discontinuous Conduction Mode (DCM) arbeiten, mit Optionen für Valley Switching, Peak Current Control oder Frequency Control. Es konnten Abweichungen von den Spezifikationen festgestellt wurden. Diese konnten auf ideale Berechnungsannahmen, Registerverzögerungen und nicht idealem Topologieverhalten zurückgeführt werden. Nächste Schritte dieses erfolgreichen und anwendungsorientierten Konzepts könnten die Verfeinerung sowie die Integration in eine reale Umgebung sein.