توصيفگر ها :
مديريت توان , مبدل چندسطحي ماژولار , مدارمجتمع، مبدل رزونانس سري , كليدزني نرم , سيستم روي تراشه
چكيده فارسي :
يك تجهيز الكترونيكي شامل قسمت هاي مختلفي است كه هركدام نيازمند ولتاژ تغذيه مخصوص به خود هستند و تامين اين ولتاژهاي تغذيه،
وظيفه مدار مديريت توان است. اگرچه تاكنون پيشرفت هاي زيادي در توسعه فناوري باتري با هزينه كم و چگالي توان بالا وجود داشته است، اما افزايش بهره وري انرژي در مدارها و سيستم هاي الكترونيكي از طريق مديريت توان ابتكاري و پربازده، هنوز هم به عنوان موثرترين و ضروري ترين روش در نظر گرفته مي شود. در طول سه دهه گذشته، فناوري مديريت توان، از اهميت بيشتري برخوردار شده است و دليل آن وسايل الكترونيكي قابل حملي هستند كه جزئي از زندگي روزمره شده اند. موبايل هاي پيشرفته، دستگاه هاي پوشيدني و اينترنت اشياء، از باتري هاي ليتيوم-يوني كه معمولا ولتاژ آنها بالاتر از 5/3 ولت مي باشد، تغذيه مي شوند. معمولا تراشه هايي كه در اين سيستم ها استفاده مي شوند، در يك تكنولوژي CMOS ساخته مي شوند كه براي تغذيه برخي از پردازنده ها يا واحدهاي حافظه، به ولتاژهاي پايين تا 3/0 ولت
نياز است كه اين اختلاف ولتاژ بين تراشه و باتري، بيان كننده نياز به يك مدار مجتمع مديريت توان با نرخ كاهش بالا مي باشد. در حالت
ايده آل، اين مدار بايد براي به حداكثر رساندن طول عمر باتري، كارآمد باشد و همچنين براي به حداقل رساندن حجم دستگاه، كوچك
باشد. تمركز اصلي اين پايان نامه، پياده سازي يك مبدل كاهنده با بازده بالا به صورت مدار مجتمع است. يكي از چالش هاي اصلي در بحث
پياده سازي و ساخت مبدل ها، انتخاب فركانس كليدزني مبدل است، چرا كه با افزايش فركانس كليدزني، اندازه المان هاي ذخيره كننده انرژي
كاهش مي يابد، اما مي تواند منجر به افزايش تلفات شود. با توجه به اينكه مدار رزونانس سري قابليت ايجاد كليدزني نرم در ولتاژ صفر
براي تمام كليدها در روشن و خاموش شدن را دارد، مي توان از اين مدار براي پياده سازي در مدارمجتمع استفاده نمود. چالش مهم ديگر،
استرس جريان و ولتاژ كليدها، براي تبديل ولتاژ با نرخ بالا مي باشد. با توجه به محدوديت استفاده از ترانسفورمر و سلف هاي كوپل شده در
مدارهاي مجتمع، مبدل هاي كليد-خازني چندسطحي معرفي شدند كه اين مبدل ها قابليت پياده سازي به صورت تمام مجتمع را دارند. در اين
توپولوژي، با شكستن ولتاژ ورودي به ولتاژهاي كوچكتر به وسيله خازن هاي شناور، استرس ولتاژ ترانزيستورها كاهش مي يابد. بااين حال،
چالش اصلي در اين مبدل ها، عدم تعادل ولتاژ خازن هاي شناور است كه باعث محدوديت در استفاده از آن ها مي شود. در اين پايان نامه مبدلي
با تعادل ذاتي ارائه شده است كه با دستيابي به كليدزني نرم در ولتاژ صفر، مي توان آن را در فركانس هاي بالا طراحي نمود. اين امر باعث
كوچك شدن حجم نهايي مبدل و درنتيجه افزايش چگالي توان، بدون افزايش تلفات كليدزني، مي شود. در نهايت، با تحليل اين مبدل با
تئوري مبتني بر لاپلاس، شرايط كليدزني نرم در بهره ها و توان هاي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. مبدل پيشنهادي در اين پايان نامه،
در پروسه m𝜇18.0 CMOSپياده سازي شده و در فركانس رزونانس 1 مگاهرتز، ولتاژ ورودي در محدوده 5/5 -3/4 ولت، ولتاژ خروجي
در محدوده 825/0 -34/0 ولت و حداكثر توان خروجي 3 وات طراحي شده و بيشينه بازده %3/97 حاصل شده است.
كلمات كليدي
مديريت توان، مبدل چندسطحي ماژولار، مدارمجتمع، مبدل رزونانس سري، كليدزني نرم، سيستم روي تراشه
چكيده انگليسي :
Abstract
An electronic equipment includes different parts, each of which requires its own supply voltage, and providing
these supply voltages is the duty of the power management circuit. Although there have been many advances
in the development of battery technology with low cost and high power density, increasing energy efficiency in
electronic circuits and systems through innovative and efficient power management is still considered the most
effective and necessary method. During the last three decades, power management technology has become
more important and the reason for that is portable electronic devices that have become a part of everyday life.
Advanced mobile phones, wearable devices and Internet of Things are powered by lithium-ion batteries whose
voltage is usually higher than 3.5 volts. Usually, the chips that are used in these systems are made in a CMOS
technology, which requires low voltages up to 0.3V to feed some processors or memory units, and this voltage
difference between the chip and the battery indicates the need for a power management integrated circuit with
a high reduction rate. Ideally, this circuit should be efficient to maximize the battery life and also be small to
minimize the size of the device. The main focus of this thesis is the implementation of a step-down converter
with high efficiency as an integrated circuit. One of the main challenges in the implementation and construction
of converters is the selection of the switching frequency of the converter, because by increasing the switching
frequency, the size of the energy storage elements decreases, but it can lead to an increase in losses. Due to
the fact that the series resonance circuit has the ability to create soft switching at zero voltage for all switches
in turning on and off, this circuit can be used for implementation in the integrated circuit. Another important
challenge is the current and voltage stress of the switches to convert the voltage at a high rate. Considering the
limitations of using transformers and coupled inductors in integrated circuits, multi-level switch-capacitor converters were introduced, and these converters can be implemented as fully integrated circuit. In this topology,
by breaking the input voltage into smaller voltages by floating capacitors, the voltage stress of the transistors is
reduced. However, the main challenge in these converters is the voltage imbalance of the floating capacitors,
which limits their use. In this thesis, a self-balanced converter is presented, which can be designed at high
frequencies by achieving soft switching at zero voltage. This makes the final volume of the converter smaller
and as a result increases the power density without increasing the switching losses. Finally, by analyzing this
converter with the Laplace-based theorem, soft switching conditions have been investigated in different gains
and powers. The proposed converter in this thesis is implemented in 0.18𝜇m CMOS process and is designed
by resonance frequency of 1 MHz, input voltage in the range of 3.4-5.5V, output voltage in the range of 0.34-
0.825V and maximum output power of 3 watts and the maximum efficiency of 97.3% is achieved.
Keywords
Power Management, Modular Multilevel Converter, Integrated Circuit, Series Resonant Converter, Soft-Switching,
System on Chip
