توصيفگر ها :
مدار مجتمع , مديريت توان , مبدل نقطه بار , كليدزني نرم , مبدل كليد-خازني , مبدل هيبريدي
چكيده فارسي :
امروزه وسايل الكترونيكي كاربردهاي بيشماري در زندگي روزمره پيدا كردهاند و جنبههاي مختلفي از زندگي بشر وابسته به اين ابزارهاست. فناوريهاي نوظهور مانند دستگاههاي الكترونيكي قابل حمل، ابزاركهاي پوشيدني، ابزارهاي كاشتني زيستپزشكي و تجهيزات اينترنت اشيا ميتوانند كيفيت زندگي را به مراتب بهبود بخشند. در اين گونه وسايل، انرژي ورودي معمولاً از طريق يك باتري كه امروزه بيشتر آنها از نوع باتري ليتيومي هستند، تامين ميشود. يك وسيله قابل حمل در بر گيرنده مدارهاي مختلفي نظير پردازندهها، حافظهها، گيرندهها و فرستندههاي راديويي و مدارهاي كنترل است كه هر يك، سطح ولتاژ و جريان تغذيه مخصوص به خود را نياز دارند و وظيفه تامين آن بر عهده مدار مديريت توان است. با پيشرفت فناوري ساخت مدارهاي مجتمع نيمههادي، امروزه اكثر قريب به اتفاق اين مدارها بهصورت مجتمع در يك تراشه و با ولتاژ تغذيه و توان مصرفي پايين ساخته ميشوند، به گونهاي كه معمولاً ولتاژ تغذيه كمتر از 1 ولت است. عليرغم پيشرفتهاي قابل توجه در توسعه فناوري باتري با هزينه پايين و چگالي توان بالا، به دليل بزرگتر بودن حجم باتريها نسبت به مدارهاي مجتمع و محدود بودن بازه ولتاژ آنها، وجود يك مدار مجتمع مديريت توان براي تامين تغذيه مدارهاي مختلف در يك وسيله قابل حمل، امري اجتناب ناپذير است. ويژگيهاي كليدي اين مدار مديريت توان شامل بازده و چگالي توان بالا، نسبت تبديل ولتاژ بزرگ، قابليت تنظيم پيوسته ولتاژ خروجي در يك گستره وسيع و پاسخ گذراي سريع است. بازده بالاي مدار مديريت توان موجب كاهش حرارت توليدي در تراشه و افزايش زمان شارژدهي باتري ميشود. به دليل كاهش مستمر ابعاد مدارهاي مجتمع، كاهش ابعاد مبدلهاي توان متناسب با ساير مدارها و به بيان ديگر افزايش چگالي توان از اهميت بالايي برخوردار است. هدف اين پاياننامه، پيادهسازي يك مبدل كاهنده با ويژگيهاي مورد اشاره بهصورت مدار مجتمع است. بهترين راه براي ساخت چنين مبدلي، استفاده از يك ساختار كليد-خازني هيبريدي است كه مزاياي مناسبي نظير كاهش تنش ولتاژ كليدها، كاهش اندازه قطعات غيرفعال، امكان تنظيم پيوسته ولتاژ خروجي در گستره وسيع بدون نياز به ضريب وظيفه كوچك را به همراه دارد. در اين نوع مبدل با افزايش فركانس كليدزني ميتوان حجم قطعات غيرفعال را به مقدار بيشتري كاهش داد، اما اين كار منجر به افزايش تلفات كليدزني ميشود. براي حل اين چالش نيز ميتوان از شگردهاي كليدزني نرم استفاده نمود. چالش اصلي مبدلهاي هيبريدي، عدم تعادل ولتاژ خازنهاي شناور به دليل اضافه شدن سلف در مسير حلقههاي خازني است. در اين پاياننامه از يك ساختار هيبريدي ديكسون متقارن دو طبقه استفاده شده كه در آن خازنهاي شناور داراي تعادل ولتاژ ذاتي هستند. همچنين با پيشنهاد پالسهاي كنترل جديد براي كليدها، قابليت كليدزني نرم در ولتاژ صفر در شرايط مرزي به آن اضافه شده و با افزايش فركانس كليدزني، حجم قطعات غيرفعال آن بهطور قابل توجهي كاهش يافته است. مبدل هيبريدي ديكسون با روش كنترل پيشنهادي در اين پاياننامه، در فناوري ساخت CMOS 180nm پيادهسازي شده و در محدوده ولتاژ ورودي 3/3 تا 4/2 ولت با فركانس كليدزني 5 مگاهرتز، ولتاژ خروجي 0/3 تا 1 ولت، حداكثر توان خروجي 1 وات و بيشينه بازده 91/4 درصد در نسبت تبديل ولتاژ 5/6 براي آن به دست آمده است.
چكيده انگليسي :
Nowadays, electronic devices have found countless applications in daily life, with various aspects of human life heavily reliant on these tools. Emerging technologies such as portable devices, wearable gadgets, biomedical implants, and the Internet of Things (IoT) can significantly enhance the quality of life. In these devices, the input energy is typically supplied by batteries, predominantly of the lithium-ion (Li-ion) type. Portable devices incorporate various circuits, including processors, memory units, RF transceivers, and control circuits, each requiring its own specific voltage and current levels. It is the responsibility of the power management circuit to provide these requirements. With advancements in semiconductor integrated circuit technology, nearly all of these circuits are now integrated into a single chip, operating at low supply voltages and low power consumption, often with supply voltage levels below 1 V. Despite considerable progress in developing low-cost, high-power-density battery technology, the larger size of batteries compared to integrated circuits and their limited voltage range necessitate an integrated power management circuit to supply different circuits within a portable device. Key attributes of this power management circuit include high energy efficiency and power density, a high voltage conversion ratio, voltage regulation capability across a wide range, and fast transient response. High energy efficiency in power management circuits contributes to reduced heat generation within the chip and extends the battery discharge time. As the dimensions of integrated circuits continue to shrink, reducing the size of power converters—or equivalently, increasing power density—becomes increasingly important. The goal of this thesis is to implement a step-down converter with the aforementioned key features in the form of an integrated circuit. The optimal way to construct such a converter is by using a hybrid switched-capacitor topology, which offers advantages such as reduced switch voltage stress, decreased volume of passive components, and the ability to regulate output voltage continuously across a wide range without requiring a small duty cycle. In this type of converter, the volume of passive components can be further minimized by increasing the switching frequency, though this may lead to increased switching losses. Soft switching techniques can mitigate this issue. Another major challenge of hybrid converters is the imbalance in flying capacitor voltages caused by the inclusion of inductors in the capacitive loop paths. In this thesis, a symmetrical two-stage hybrid Dickson topology is employed, in which the flying capacitors are naturally balanced. Additionally, by proposing new control pulses for the power switches, soft switching at zero voltage under boundary conditions is achieved, and by increasing the switching frequency, the size of passive components is significantly reduced. The hybrid Dickson converter, along with the proposed control method, is implemented in 180 nm CMOS technology, with an input voltage range of 3.3 to 4.2 V and a switching frequency of 5 MHz. It achieves an output voltage range of 0.3 to 1 V, a maximum output power of 1 W, and a peak efficiency of 91.4% at a voltage conversion ratio of 5.6.
