پديد آورنده :
حاجي حيدري، مرضيه
عنوان :
بررسي و بهبود مبدلهاي بسيار كاهنده جهت واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
محل تحصيل :
اصفهان: دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده برق و كامپيوتر
صفحه شمار :
يازده، ۱۰۶ص.:مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
حسين فرزانه‌فرد
توصيفگر ها :
واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ (VRMs) , گسترش ضريب وظيفه , تلفات كليدزني , يكسوساز سنكرون (SR)
تاريخ ورود اطلاعات :
1396/11/09
رشته تحصيلي :
برق و كامپيوتر
دانشكده :
مهندسي برق و كامپيوتر
چكيده فارسي :
چكيده با گسترش روزافزون استفاده از كامپيوترها در كاربردهاي خانگي و صنعتي حجم توان مصرف شده توسط آنها بهصورت قابل توجهي افزايش يافته است قسمت عمده توان مصرفي در كامپيوترها توسط واحد پردازنده مركزي CPU مصرف ميشود به مرور زمان و با پيشرفتهايي كه در معماري CPU ها حاصل شده جريان مصرفي و ولتاژ تغذيه آنها بهترتيب افزايش و كاهش يافته است همچنين با افزايش فركانس كالك و بهبود سرعت ريزپردازندهها نرخ تغييرات جريان در سمت CPU بهطور قابل مالحظهاي افزايش يافته است بنابراين چالش بزرگي در طراحي واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ VRM مورد استفاده در بخش تغذيه CPU وجود دارد و الزم است VRM ها بازده و سرعت بااليي در ولتاژ خروجي پايين و جريان خروجي باال داشته باشند از سوي ديگر در بسياري از كاربردها مانند لپتاپها و مراكز داده فضاي اشغال شده توسط مدارهاي VRM نيز از اهميت بااليي برخوردار است در نتيجه الزم است چگالي توان واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ بهبود يابد بهعالوه در معماريهاي جديد بخش تغذيه مراكز داده جهت كاهش بيشتر تلفات مجموعه ولتاژ گذرگاه از 21 ولت به 84 ولت افزايش يافته است با توجه به نكات بيان شده نسبت ولتاژ خروجي به ورودي در مدارهاي VRM بسيار كوچك بوده و بهمنظور بهبود سرعت پاسخ و افزايش چگالي توان الزم است ضمن افزايش فركانس كليدزني بازده نيز باال باشد بهطور سنتي مبدل باك سنكرون درهمتنيده بهعنوان VRM استفاده ميشود اين مبدل مزاياي زيادي دارد از جمله 1 سادگي ساختار و كنترل 2 انعطاف پذيري در تغيير تعداد فازها مطابق با تغييرات بار جهت باال نگهداشتن بازده در كل محدود تغيير بار خروجي و 3 هزينه پايين با اينحال مبدل باك سنكرون داراي يك محدوديت ذاتي است ضريب وظيفه اين مبدل در چنين كاربردي بسيار كوچك است كه در نتيجه آن 1 تلفات كليدزني تلفات بازيابي معكوس و تلفات هدايتي افزايش مييابد 2 بهدليل عملكرد نامتقارن الزم است فيلتر خروجي با حاشيه امنيت باال Overdesign طراحي شود و 3 حذف ريپل در ساختار درهمتنيده مؤثر نخواهد بود بنابراين بررسي و بهبود مبدلهاي بسيار كاهنده امري ضروري براي بهبود مشخصات واحدهاي رگوالتور ولتاژ ميباشد هدف از اين پاياننامه بررسي و بهبود مبدلهاي بسيار كاهنده جهت واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ است بهطوريكه مدارهاي معرفي شده ضمن گسترش ضريب وظيفه كمترين تغييرات را نسبت به مبدل پايه باك سنكرون داشته باشند تا همزمان از مزاياي گسترش ضريب وظيفه و نيز مزاياي مبدل باك برخوردار گردند بههمين منظور در فصل دوم نخست مبدلهاي بسيار كاهنده بررسي ميشوند سپس در فصل سوم مبدل دو فاز غير ايزوله بسيار كاهندهاي معرفي شده كه بدون استفاده از كليد كمكي در ولتاژ صفر كليدزني ميشود پس از آن يك مبدل كاهنده تكفاز با سلفهاي تزويج شده و با جريان خروجي پيوسته در فصل چهارم معرفي ميشود كه در عين كاهندهتر شدن ساختار از بسياري از مزاياي مبدل باك سنكرون نيز برخوردار است بهعالوه كليد اصلي اين مبدل در جريان صفر روشن ميشود در ادامه در فصل پنجم مبدلي ارائه شده كه با افزودن يك خازن و يك كليد به مبدل فصل چهارم و با هدف كاهندهتر كردن ساختار و نيز كاهش بيشتر تلفات وابسته به فركانس كليدزني ايجاد شده است همچنين طراحي اين مبدل بهگونهاي صورت گرفته كه حساسيت مدار نسبت به تغيير اندازه سلف نشتي كاهش يابد مبدلهاي پيشنهادي از نظر تئوري تحليل شده و عملكرد آنها مورد بررسي قرار گرفته است همه مبدلها شبيهسازي شده و نمونههاي آزمايشگاهي مبدلهاي پيشنهادي در فصلهاي چهارم و پنجم نيز ساخته و ارزيابي شدهاند واژههاي كليدي 1 واحدهاي تنظيمكننده ولتاژ 2 VRMs گسترش ضريب وظيفه 3 تلفات كليدزني 4 يكسوساز سنكرون SR
چكيده انگليسي :
Analysis and Improvement of High Step Down Converters for Voltage Regulator Modules Marziyeh Hajiheidari M hajiheiadri@ec iut ac ir December 20 2017 Department of Electrical and Computer Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 Iran Degree M Sc Language FarsiSupervisor Dr Hosein Farzanehfard hosein@cc iut ac ir Abstract Computers are ever more extensively used in household and industry and consume enormous portion of theelectrical energy Most of the computer power consumption is dedicated to Central Processing Units CPU andwith the developments achieved in CPU architectures supply voltage is decreased while its current has increased Besides with the increment of the microprocessors clock frequency the current slew rate at the CPU socket isdramatically increased Thus significant challenges exist in the design of efficient Voltage Regulator Modules VRMs to achieve low voltage high current and fast transient response Moreover the amount of space occupiedby VRMs is important especially in laptop computers and datacenters Besides in new power architecture of datacenters the bus voltage is raised up to 48 V to reduce the conversion losses Consequently the VRMs voltageratio is too low and in order to improve the dynamic characteristics and increase the power density the switchingfrequency must be increased while keeping up the converter efficiency Traditionally the interleaved synchronousbuck converter is employed by VRMs which has advantages like 1 simplicity of structure and control 2 flexibility in changing the number of phases according to the output power phase shedding and 3 low cost However extremely low duty cycles of the buck converter lead to the increment of switching and conductionlosses output filter over design and poor current ripple cancellation Therefore improvement of high stepdown converters is essential for the characteristic enhancement of VRMs The goal of this thesis is to analyze and improve the high step down converters for VRMs so that in theintroduced converters the duty cycle is extended with minimum topology variation with respect to thesynchronous buck converter Thus the advantages of the extended duty cycle and the buck converter are achievedsimultaneously To achieve this aim first the existing high step down converters are reviewed and then a non isolated high step down two phase converter is proposed which achieves ZVS without applying any extra switch After that a single phase high step down converter with continuous output current is introduced which appliescoupled inductors to extend the duty cycle and benefits from the advantages of the synchronous buck Besides the main switch turn on is ZCS Subsequently in order to further extend the duty cycle and reduce the switchingfrequency related losses the third converter is developed by adding a capacitor and a switch to the single phasehigh step down converter The converter has low sensitivity to the leakage inductance In order to investigate theproposed converters performance theoretical analysis is preformed and then computer simulation is provided foreach converter Moreover two prototypes of the proposed converters in chapters 4 and 5 are implemented toverify the theoretical analysis and converters operation Keywords Voltage Regulator Modules VRMs Extended Duty Cycle Switching Losses Synchronous Rectifier SR
استاد راهنما :
حسين فرزانه‌فرد
