Phase Current Unbalance Estimation in Multi-Phase Buck Converters

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<ul><li><p>7/30/2019 Phase Current Unbalance Estimation in Multi-Phase Buck Converters</p><p> 1/6</p><p>P h a s e C u r r e n t U n b a l a n c e E s t i m a t i o n i nM u l t i - P h a s e B u c k C o n v e r t e r s</p><p>G a b r i e l E i r e a a n d S e t h R . S a n d e r sE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t e r S c i e n c e D e p a r t m e n tU n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , B e r k e l e yB e r k e l e y , CA 9 4 7 2 0E m a i l : [ g e i r e a , s a n d e r s ] @ e e c s . b e r k e l e y . e d u</p><p>A b s t r a c t - A m e t h o d f o r e s t i m a t i n g t h e p h a s e c u r r e n t u n b a l - i n s t a n t a n e o u s v a l u e s o f t h e w a v e f o r m , a f r e q u e n c y a n a l y s i sa n c e i n a m u l t i - p h a s e b u c k c o n v e r t e r i s p r e s e n t e d . T h e m e t h o d i s p e r f o r m e d o n a f i l t e r e d v e r s i o n o f t h e w a v e f o r m . T h i su s e s t h e i n f o r m a t i o n c o n t a i n e d i n t h e v o l t a g e d r o p a t t h e i n p u t a p p r o a c h r e s u l t s i n a much b e t t e r SNR. A l i n e a r r e l a t i o n s h i pc a p a c i t o r s ' ES R t o e s t i m a t e t h e a v e r a g e c u r r e n t i n e a c h p h a s e .A l t h o u g h t h e a b s o l u t e e s t i m a t i o n o f t h e c u r r e n t s d e p e n d s o n b e t w e e n t h e s a m p l e d w a v e f o r m a n d t h e a m p l i t u d e o f t h et h e v a l u e o f t h e ES R a n d i s t h e r e f o r e n o t a c c u r a t e , t h e r e l a t i v e p h a s e c u r r e n t s i s d e r i v e d . T h e n u m e r i c a l p r o c e s s i n g r e q u i r e de s t i m a t e s o f t h e c u r r e n t s w i t h r e s p e c t t o o n e o t h e r a r e s h o w n t o i s e q u i v a l e n t t o a l o w - o r d e r m a t r i x - v e c t o r m u l t i p l i c a t i o n o r ab e v e r y a c c u r a t e . T h e m e t h o d c a n b e i m p l e m e n t e d w i t h a l o w - l o w - o r d e r F F T , a n d n e e d s t o b e u p d a t e d a t a s l o w r a t e . W i t hr a t e d o w n - s a m p l i n g A / D c o n v e r t e r a n d i s n o t c o m p u t a t i o n a l l y t h e i n c r e a s i n g p o p u l a r i t y o f d i g i t a l c a p a b i l i t i e s i n DC/DCi n t e n s i v e . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d , s h o w i n g g o o d c o n t r o l l e r s , t h i s f u n c t i o n a l i t y i s n o t d i f f i c u l t nor c o s t l y t oa g r e e m e n t b e t w e e n t h e e s t i m a t e s a n d t h e m e a s u r e d v a l u e s . ii m p l e m e n t .I . INTRODUCTION A s d e s c r i b e d a b o v e , t h i s m e t h o d u s e s t h e i n p u t c a p a c i t o r</p><p>T h e m u l t i - p h a s e s y n c h r o n o u s b u c k c o n v e r t e r i s t h e t o p o l - ES R a s a u n i q u e s e n s i n g e l e m e n t f o r a l l p h a s e s . T h e r e f o r e ,o g y o f c h o i c e f o r l o w - v o l t a g e h i g h - c u r r e n t DC/DC c o n v e r t e r t h e r e l a t i v e r e l a t i o n s h i p o f t h e p h a s e c u r r e n t s ' e s t i m a t e sa p p l i c a t i o n s [ 1 ] - [ 7 ] . T h e l o a d c u r r e n t i s d e l i v e r e d b y t h e w i t h r e s p e c t t o e a c h o t h e r i s a c c u r a t e , a l t h o u g h t h e a b s o l u t ep a r a l l e l c o m b i n a t i o n o f N p h a s e s . T h e t h e r m a l c o n s t r a i n t s v a l u e s t i l l c a r r i e s t h e u n c e r t a i n t y i n t h e v a l u e o f t h e s e n s i n ga s w e l l a s t h e d i m e n s i o n i n g o f t h e s e m i c o n d u c t o r s a n d e l e m e n t . T h e u n b a l a n c e i n f o r m a t i o n c a n b e u s e d i n a n a c t i v ei n d u c t o r s o f e a c h p h a s e d e p e n d o n t h e maximum c u r r e n t c u r r e n t s h a r i n g m e t h o d t o a c h i e v e g o o d c u r r e n t s h a r i n gt h e y d e l i v e r . I f a l l p h a s e s a r e b a l a n c e d , t h e maximum p h a s e a m o n g a l l p h a s e s .c u r r e n t i s e q u a l t o t h e maximum l o a d c u r r e n t d i v i d e d b y T h i s p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . T h e c u r r e n t u n b a l a n c eN . H o w e v e r , s m a l l v a r i a t i o n s i n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c h e s t i m a t i o n m e t h o d i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n I I . Some p r a c t i c a lp h a s e c o u l d g e n e r a t e a s i g n i f i c a n t c u r r e n t u n b a l a n c e , l e a d i n g c o n s i d e r a t i o n s a r e a d d r e s s e d i n S e c t i o n I I I . F i n a l l y , e x p e r i -t o t h e n e e d t o o v e r - d e s i g n t h e c o m p o n e n t s . m e n t a l r e s u l t s a r e r e p o r t e d i n S e c t i o n I V .</p><p>F o r t h i s r e a s o n , a l l c o m m e r c i a l d e s i g n s h a v e a n a c t i v ep h a s e b a l a n c i n g c i r c u i t r y . T h e m o s t common m e t h o d s i n I I . METHOD D E S C R I P T I O Nh i g h - c u r r e n t a p p l i c a t i o n s u s e p h a s e c u r r e n t m e a s u r e m e n t s T h e m a i n i d e a b e h i n d t h e m e t h o d c o m e s f r o m t h e u n d e r -o b t a i n e d b y i n d u c t o r s e n s i n g [ 2 ] - [ 4 ] o r R DS s e n s i n g [ 5 ] - [ 7 ] . s t a n d i n g o f t h e w a v e f o r m a t t h e i n p u t v o l t a g e o f a m u l t i -B o t h m e t h o d s r e q u i r e a p r i o r i k n o w l e d g e o f a p a r a s i t i c s e r i e s p h a s e b u c k c o n v e r t e r . I n F i g . 1 a b u c k c o n v e r t e r w i t h t w or e s i s t a n c e ( i n d u c t o r D CR i n t h e f o r m e r a n d MO SFET R DS p h a s e s i s s h o w n t o i l l u s t r a t e t h e d e r i v a t i o n o f t h e m e t h o d .i n t h e l a t t e r ) f o r e a c h p h a s e a n d n e e d t o t r a c k i t s v a r i a t i o n U s u a l l y t h e i n p u t c u r r e n t I i n h a s a v e r y s m a l l AC c o m p o -w i t h t e m p e r a t u r e . n e n t d u e t o t h e p r e s e n c e o f a n i n d u c t o r ( c h o k e ) . T h e r e f o r e ,I n [ 8 ] a n d i n t h i s w o r k a m e t h o d f o r e s t i m a t i n g t h e c u r r e n t t h e AC c o m p o n e n t o f t h e c u r r e n t t h r o u g h t h e t o p s w i t c hu n b a l a n c e b a s e d o n s a m p l e s o f t h e i n p u t v o l t a g e i s d e s c r i b e d . ( e . g . , S l t o p ) i s p r o v i d e d b y t h e i n p u t c a p a c i t o r C j i , c r e a t i n gT h e m e r i t o f t h i s a p p r o a c h i s t h a t t h e s a m e s e n s i n g e l e m e n t a v o l t a g e d r o p o n i t s ES R t h a t i s p r o p o r t i o n a l t o t h e i n d u c t o r( t h e i n p u t c a p a c i t o r E S R ) i s u s e d f o r a l l p h a s e s , t h e r e f o r e c u r r e n t d u r i n g t h e c o n d u c t i o n t i m e o f t h e c o r r e s p o n d i n ge l i m i n a t i n g t h e u n c e r t a i n t y w h e n c o m p a r i n g m e a s u r e m e n t s p h a s e . T h i s c r e a t e s a p e r t u r b a t i o n o n t h e i n p u t v o l t a g e V 1 7 ,f o r d i f f e r e n t p h a s e s . I n [ 8 ] t h e i n p u t v o l t a g e i s s a m p l e d S i n c e t h e c o n d u c t i o n t i m e o f t h e p h a s e s i s m u l t i p l e x e d i nd i r e c t l y d u r i n g t h e c o n d u c t i o n t i m e o f e v e r y p h a s e , a n d t h e t i m e , t h e r e s u l t i n g w a v e f o r m i n 1 7 m c o n t a i n s t h e i n f o r m a t i o ns a m p l e s a r e c o m p a r e d t o o b t a i n t h e u n b a l a n c e i n f o r m a t i o n , o f t h e DC a m p l i t u d e o f a l l p h a s e c u r r e n t s . T h i s i s i l l u s t r a t e dH o w e v e r , t h e i n p u t v o l t a g e c a r r i e s a l o t o f u n d e s i r e d h i g h - i n F i g . 2 . I n t h i s p a r t i c u l a r e x a m p l e , t h e a v e r a g e c u r r e n t i nf r e q u e n c y c o n t e n t d u e t o t h e s w i t c h i n g o f l a r g e c u r r e n t s , p h a s e 2 i s l a r g e r t h a n i n p h a s e 1 . G i v e n t h a t t h e d i f f e r e n c er e d u c i n g d r a m a t i c a l l y t h e S N R o f t h e s a m p l e d v a l u e s , r e n - i n t h e p h a s e c u r r e n t s c a n b e a p p r e c i a t e d d i r e c t l y f r o m t h ed e r i n g t h e m e t h o d n o t p r a c t i c a l . w a v e f o r m , i t c o u l d b e a r g u e d t h a t s a m p l i n g t h e i n p u t v o l t a g eI n t h i s p a p e r , a d i f f e r e n t a p p r o a c h f o r s a m p l i n g t h e v o l t a g e d u r i n g t h e c o n d u c t i o n t i m e o f e a c h p h a s e c o u l d p r o v i d ei n p u t w a v e f o r m i s p r e s e n t e d . I n s t e a d o f r e l y i n g o n t h e t h e u n b a l a n c e i n f o r m a t i o n . U n f o r t u n a t e l y , t h e s a m p l e s t a k e n</p></li><li><p>7/30/2019 Phase Current Unbalance Estimation in Multi-Phase Buck Converters</p><p> 2/6</p><p>L c h k I i ., L t h 0 k . VLiIR E S R I c S l t o p S 2 t o p hI</p><p>C i . r l t c 1 7I- S l b o t S 2bot c o L o a dF i g . 1 . T w o - p h a s e b u c k c o n v e r t e r . T h e i n p u t c a p a c i t o r ' s ES R i s s h o w n e x p l i c i t l y .</p><p>U 1 n t L c h o 0 k e v iU2 1 ,5 ? r C RESR }I C CI - ~ ~ ~ ~ ~ ~ VL2+int 2</p><p>u l I L I + U2I F i g . 3 . C a p a c i t o r c u r r e n t s e n s i n g .W T 1 v r v r a s t h e t i m e c o n s t a n t R E S R C i T i s s u c h t h a t t h e c a p a c i t o ri m p e d a n c e b e h a v e s r e s i s t i v e l y a t t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y . I ft h a t i s n o t t h e c a s e , a s c o u l d h a p p e n w i t h c e r a m i c c a p a c i t o r s ,</p><p>F i g . 2 . V o l t a g e a n d c u r r e n t w a v e f o r m s i n a t w o - p h a s e b u c k c o n v e r t e r w i t h t h e n a n e x t r a c i r c u i t a s d e p i c t e d i n F i g . 3 can be used t ou n b a l a n c e d c u r r e n t s . e l i m i n a t e t h e v a r i a t i o n s d u e t o t h e c h a r g i n g / d i s c h a r g i n g o ft h e c a p a c i t o r . I f t h e RC t i m e c o n s t a n t o f t h e t w o b r a n c h e si s e q u a l ( i . e . , R E S R C i n = R S C S ) , t h e no f t h i s w a v e f o r m a r e n o i s y , s o t h i s a p p r o a c h b e c o m e s n o tp r a c t i c a l . A d d i t i o n a l l y , i n s o m e c a s e s t h e c o n d u c t i o n t i m e s V s ( t ) R E S R I C ( t ) . ( 4 )o f d i f f e r e n t p h a s e s c o u l d o v e r l a p ( f o r e x a m p l e w i t h a d u t y - S u b s t i t u t i n g C f r o m ( 2 ) , we c o n c l u d e t h a tc y c l e l a r g e r t h a n 5 0 0 0 i n a t w o - p h a s e s y s t e m ) . F o r t h e s er e a s o n s , i t i s m o r e p r a c t i c a l t o a n a l y z e t h e h a r m o n i c c o n t e n t No f t h e w a v e f o r m , a s w i l l b e d e s c r i b e d n e x t . V s = R E S R I i n - RESR E, U i I L i . ( 5 )I n g e n e r a l , f o r a b u c k c o n v e r t e r w i t h N p h a s e s we c a n 1w r i t e N o t i c e t h a t t h i s w a v e f o r m i s t h e same a s t h e i n p u t v o l t a g e ,</p><p>b u t w i t h o u t t h e c a p a c i t o r v o l t a g e . T h i s m e a n s t h a t n o tV i n = V C + R E S R I C ( 1 ) o n l y a r e t h e v a r i a t i o n s i n t h e c a p a c i t o r c h a r g e e x c l u d e d ,N b u t a l s o t h a t t h e DC c o m p o n e n t i s e l i m i n a t e d , m a k i n g t h e' C -Sn ti L i ( 2 ) w a v e f o r m v o l t a g e l e v e l s m o r e s u i t a b l e f o r s a m p l i n g . I n t h ei = 1 f o l l o w i n g d e r i v a t i o n s , we w i l l a s s u m e t h a t t h e w a v e f o r m t oa n d t h e n , c o m b i n i n g ( 1 ) a n d ( 2 ) we o b t a i n b e p r o c e s s e d i s V s ( t ) a n d n o t V i n ( t ) .N T h e r e l a t i v e a m p l i t u d e o f t h e p h a s e c u r r e n t s w i l l b eV = V 0 + R E S R h T - R E S R 5 u J L i ( 3 ) r e f l e c t e d i n t h e h a r m o n i c c o n t e n t o f t h e w a v e f o r m V 5 ( t ) ,i = 1 i n p a r t i c u l a r i n f r e q u e n c i e s k f 5 f o r k =1 . . . N- 1 ,</p><p>w h e r e w h e r e f 5 i S t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y . F o r p e r f e c t l y b a l a n c e do p e r a t i o n , t h e V 5 w a v e f o r m w o u l d h a v e z e r o c o n t e n t a t t h e s eu l i ( t ) f 1 , O i f S i t o p i s O N F f o r Z . = 1 . . . N . f r e q u e n c i e s . I n t h e c a s e i l l u s t r a t e d I n F i g . 2 , V i n ( t ) ( o r,i itpi F e q u i v a l e n t l y , V 5 ) h a s a h a r m o n i c c o m p o n e n t a t f r e q u e n c yA s m e n t i o n e d a b o v e , i n s t e a d y - s t a t e o p e r a t i o n t h e i n p u t f 5 d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n t h e a v e r a g e c u r r e n t i n t h e t w oc u r r e n t I i n c a n b e c o n s i d e r e d c o n s t a n t . T h e c a p a c i t o r v o l t a g e p h a s e s ; i t i s e a s y t o s e e t h a t t h e l o w e s t h a r m o n i c f r e q u e n c yV c , o n t h e o t h e r h a n d , c a n b e c o n s i d e r e d c o n s t a n t a s l o n g p r e s e n t i n a b a l a n c e d c i r c u i t w o u l d b e 2 f 5 . I t w i l l b e s h o w n</p></li><li><p>7/30/2019 Phase Current Unbalance Estimation in Multi-Phase Buck Converters</p><p> 3/6</p><p>b e l o w t h a t f r e q u e n c i e s a b o v e (N - 1 ) f , c a n b e e l i m i n a t e d a = [ A O A 1 . . . A N - 1 Tw i t h o u t l o s i n g t h e u n b a l a n c e i n f o r m a t i o n , a l l o w i n g f o r t h es a m p l i n g o f a " c l e a n " w a v e f o r m , w i t h o u t a l l t h e h i g h - N o t i c e t h a t S N i S t h e D i s c r e t e F o u r i e r T r a n s f o r m m a t r i xf r e q u e n c y c o n t e n t u s u a l l y p r e s e n t a t t h e i n p u t v o l t a g e n o d e . whc s i v e r t i b e , wt v e r s e kS N [ 9 ]T h e h a r m o n i c c o n t e n t o f V , c a n b e c o m p u t e d b y u s i n g N o w we t u r n t o t h e p r o b l e m o f c o m p u t i n g t h e F o u r i e rt h e F o u r i e r s e r i e s e xp a n s i o n o f a p u l s e t r a i n , a n d a p p l y i n g c o e f f i c i e n t s f r o m a s a m p l e d v e r s i o n o f t h e w a v e f o r m V ( t ) .t h e t i m e - s h i f t a n d s u p e r p o s i t i o n p r o p e r t i e s . A p u l s e t r a i n o f L e t X k = V s ( k T s a m p ) , w h e r e T s a m p = 1 / ( 2 N f , ) , i . e . ,a m p l i t u d e o n e a n d d u t y c y c l e D h a s t h e f o l l o w i n g F o u r i e r we a r e s a m p l i n g a t 2 N t i m e s t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y . T h ec o e f f i c i e n t s : w a v e f o r m s h o u l d b e f i l t e r e d w i t h a l o w - p a s s a n t i - a l i a s i n g</p><p>PT f i l t e r w i t h a c u t - o f f f r e q u e n c y e q u a l t o N f s f o r f u l l r e c o v e r yc o D ( 6 ) o f t h e l o w f r e q u e n c y h a r m o n i c s .c PT = c P T D. s i n k 7 D ( 7 T h e n , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e F o u r i e r c o e f f i c i e n t s o fC k - k kwD t h e c o n t i n u o u s - t i m e s i g n a l a n d t h e s a m p l e d v a l u e s i s g i v e n</p><p>T h e t i m e o r i g i n i s l o c a t e d a t t h e m i dd l e o f t h e p u l s e . N o t i c e...</p></li></ul>

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