Design methodology of a non-invasive sensor to measure the current of the output capacitor for a very fast non-linear control

The combination of non-linear control and linear control proposed in [1] has a very fast transient response (voltage step from 1 V to 1.5 V in 2 mus). In order to achieve this fast transient response the non-linear scheme is based on measuring the current of the output capacitor of a Buck converter. The design of this current sensor is complex due to parasitic effects such as component tolerances (bandwidth and dc gain of the Op-Amp), aging, temperature variation, etc. A design methodology for this current sensor is proposed regarding all these effects. The sensing circuit is designed to mirror the actual capacitor current with a trans-impedance amplifier by matching phase and scaling impedances of the RLC network (C, ESR and ESL of the output capacitor). The proposed methodology has been validated by means of a buck converter switching at 5 MHz. Experimental results validate that the current sensor behaves appropriately under voltage and load step

Metodología de diseño de un sensor de corriente no invasivo para medir la corriente del condensador de salida de un reductor

La combinación del control no-lineal, lineal y lazo de frecuencia propuesto en [2] tiene una rápida respuesta dinámica y frecuencia de conmutación constante (escalón en la tensión de referencia de 1,5 V a 2,5 V en 2 μs). Para alcanzar esta rápida respuesta dinámica el esquema del lazo no-lineal se basa en la medida de corriente del condensador de salida del convertidor reductor. El diseño del sensor de corriente es complejo debido a efectos parásitos como las tolerancias en los componentes (ancho de banda y la ganancia en continua del amplificador operacional), el envejecimiento, la variación de la temperatura, etc. En este artículo se propone una metodología de diseño del sensor de corriente considerando todos estos efectos. El sensor de corriente está diseñado para reproducir la corriente del condensador de salida mediante una red espejo RLC. Para la implementación física del sensor de corriente se usa un amplificador de trans-impedancia. La red espejo se diseña escalando las impedancias, igualando las fases y las mismas constantes de tiempo que las de la impedancia del COUT (C, ESR y ESL del condensador de salida). La metodología de diseño propuesta ha sido validada experimentalmente. El sensor de corriente presenta un buen funcionamiento ante escalones de carga y escalones en la referencia de tensión

Control de histéresis de la corriente del condensador de salida de un reductor operando a frecuencia constante

La combinación del control no-lineal y lineal propuesto en [1] presenta una muy rápida respuesta dinámica (escalones de tensión de 1 V a 1,5 V en 2 μs). Este control se basa en el control de histéresis de la corriente del condensador de salida (Cout ). Sin embargo, el sistema es muy sensible a diferentes efectos parásitos que modifican la frecuencia de conmutación tales como: variación de la tensión de entrada, tensión de salida, etc. En este artículo se propone un lazo de frecuencia adicional para corregir las variaciones de frecuencia y ajustar la frecuencia de conmutación al valor nominal mediante el ajuste de la banda de histéresis. El diseño y análisis del lazo no-lineal, lineal y el lazo de frecuencia son presentados en detalle este artículo. Para la validación experimental se ha construido un convertidor reductor a 5 MHz. La respuesta dinámica del convertidor ante escalones de tensión en la referencia (escalones de 1,5 V a 2,5 V y de 2,5 V a 1,5 V) es rápida y mantiene constante la frecuencia de conmutación en estado estacionario

A very fast control based on hysteresis of the Cout current with a frequency loop to operate at constant frequency

The combination of non-linear control and linear control proposed in [1] provides very fast transient response (voltage step from 1 V to 1.5 V in 2 μs). This non-linear control is based on hysteretic control of the Cout current. This system is very sensitive to effects like aging, temperature, input and output voltage variation, etc., that modify the switching frequency. This paper proposes a frequency loop to avoid the frequency variation and to adjust the switching frequency to the nominal value by changing the hysteretic band. The design and analysis of the nonlinear loop, the voltage loop and frequency loop are presented in detail with a design example. A 5 MHz buck converter is developed and experimental results validate the loops design, obtaining the same fast transient response (from 1.5 V to 2.5 V in 2 μs) but keeping constant the switching frequency in steady state

Power Balance of a Hybrid Power Source in a Power Plant for a Small Propulsion Aircraft

This paper analyzes two different architectures for a hybrid power source comprising a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell and a Li ion battery. The hybrid power source feeds the propulsion motor of an all electrical aircraft, the Boeing Fuel Cell Demonstrator. The architectures are an unregulated and a regulated hybrid power source. The regulation is achieved by means of a controllable series boost converter (SBC) connected in series with the fuel cell. Both architectures have been simulated, implemented and tested in the Boeing Fuel Cell Demonstrator Airplane

Advanced Control for Very Fast DC-DC Converters Based on Hysteresis of the C-out Current

The bandwidth achievable by using voltage mode control or current mode control in switch-mode power supply is limited by the switching frequency. Fast transient response requires high switching frequency, although lower switching frequencies could be more suitable for higher efficiency. This paper proposes the use of hysteretic control of the output capacitor $(C_{out})$ current to improve the dynamic response of the buck converter. An external voltage loop is required to accurately regulate the output voltage. The design of the hysteretic loop and the voltage loop are presented. Besides, it is presented a non-invasive current sensor that allows measuring the current in the capacitor. This strategy has been applied for DVS (dynamic voltage scaling) on a 5 MHz buck converter. Experimental results validate the proposed control technique and show fast transient response from 1.5 V to 2.5 V in 2 $mu{rm s}$