توصيفگر ها :
مبدلهاي كاهنده , مبدل دومسيره , مدارهاي مجتمع مديريت توان , رگولاتور ولتاژ
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير، با پيشرفت چشمگير فناوري نيمههاديها، تقاضا براي منابع تغذيه سوئيچينگ كه قادر به تأمين توان پردازندههاي مدرن، سيستمهاي حافظه و ساير مدارهاي مجتمع با كارايي بالا باشند، به شدت افزايش يافته است. اين كاربردها نيازمند مبدلهاي DC-DC هستند كه ولتاژ را با دقت و بازدهي بالا به سطوح بسيار پايين (اغلب كمتر از يك ولت) كاهش دهند و همزمان جريانهاي بالايي را تأمين كنند. مبدل باك، به دليل سادگي ساختاري و قابليت اطمينان، به عنوان يكي از رايجترين ساختارهاي كاهنده غيرايزوله در اين حوزه شناخته ميشود. با اين حال، پيادهسازي اين مبدل در محيطهاي با چگالي توان بالا با چالشهايي بنيادي مواجه است. لزوم كوچكسازي و فشردگي قطعات، طراحان را به استفاده از سلفهايي با ابعاد فيزيكي كوچك سوق ميدهد. اين سلفهاي فشرده، به دليل محدوديتهاي فيزيكي، به طور ذاتي داراي مقاومت داخلي بالاتري هستند. عبور تمام جريان بار از اين مقاومت داخلي، منجر به اتلاف توان قابل توجهي به شكل حرارت شده و در نتيجه، بازدهي كلي سيستم را به شدت كاهش ميدهد.
به منظور فائق آمدن بر اين محدوديت ذاتي و بهبود عملكرد مبدلهاي كاهنده، راهبردهاي نويني مبتني بر ساختارهاي چندمسيره توسعه يافتهاند. ايده اصلي در اين ساختارها، تقسيم هوشمندانه جريان خروجي بين مسير سلفي اصلي و يك يا چند مسير كمكي خازني است كه به صورت موازي با آن قرار ميگيرند. اين رويكرد نه تنها بازدهي را به دليل كاهش مجذور جريان در مقاومت سلف بهبود ميبخشد، بلكه مزاياي ديگري نيز به همراه دارد. در اين ساختارها، ريپل جريان سلف به طور مؤثري در داخل ساختار حذف شده و از انتقال كامل آن به خروجي جلوگيري ميشود. همچنين، اين ساختارها قادرند با تأثير بر تعادل ولت-ثانيه سلف، نسبت كاهندگي ولتاژ مبدل را فراتر از محدوده مبدل باك پايه افزايش دهند.
در اين پاياننامه، پس از تحليل و مقايسه ساختارهاي موجود، يك مبدل كاهنده سهمسيره بهبوديافته معرفي و تحليل ميشود. ساختار پيشنهادي، ضمن بهرهگيري از يك سلف منفرد به منظور حفظ چگالي توان بالا، از دو مسير انتقال انرژي خازني مجزا براي تأمين توان خروجي استفاده ميكند. اين طراحي، علاوه بر كاهش جريان متوسط و تنش الكتريكي وارد بر سلف، ميزان ريپل جريان تحويلي به بار را به شكل چشمگيري كاهش ميدهد. اين ويژگي، امكان استفاده از سلفي با اندوكتانس كمتر را فراهم كرده و در نتيجه به بهينهسازي بيشتر ابعاد، وزن و هزينه نهايي سيستم كمك مينمايد.
نتايج شبيهسازي، عملكرد موفقيتآميز اين ساختار را به اثبات رساند. مبدل پيشنهادي در شرايط بار كامل به بازدهي برابر با 86 درصد دست يافت، در حالي كه اوج بازده آن به 94 درصد ميرسيد. اين نتايج در نقطه كاري نامي با ولتاژ ورودي 1.8 ولت، ولتاژ خروجي 0.67 ولت (به ازاي ضريب وظيفه 50 درصد) و فركانس كليدزني 1 مگاهرتز به دست آمد. دستيابي به اين سطح از عملكرد با استفاده از ساختاري متشكل از چهارده كليد نيمههادي، چهار خازن مياني و تنها يك سلف، نشاندهنده چگالي توان بالا و استفاده بهينه از المانهاي پسيو در اين طرح است.
چكيده انگليسي :
Recent advances in semiconductor process technologies have significantly increased the demand for high-performance switched-mode power supplies (SMPS) capable of supplying power to modern processors, memory systems, and other high-performance integrated circuits (ICs). These applications require DC–DC converters that can step down voltage to sub-volt levels with high precision and efficiency, while simultaneously delivering large load currents.
Owing to its structural simplicity and inherent reliability, the Buck converter remains the most widely used non-isolated step-down topology in this field. However, its implementation in high power-density environments presents fundamental challenges. The need for miniaturization and compactness forces designers to use physically smaller inductors. Due to physical limitations, these compact inductors inherently exhibit higher internal resistance (commonly referred to as DCR – DC resistance). Since the entire load current flows through this resistance, considerable power dissipation in the form of heat occurs, thereby severely degrading the overall system efficiency.
To overcome this inherent limitation and improve the performance of step-down converters, innovative architectures based on multi-path topologies have been developed. The core concept of these structures is the intelligent تقسيم of the output current between the main inductive path and one or more auxiliary capacitive paths connected in parallel. This approach not only enhances efficiency by reducing the I2R loss associated with the inductor current, but also provides additional benefits. In such configurations, the inductor current ripple is effectively self-cancelled, preventing its full propagation to the output. Furthermore, by influencing the inductor volt-second balance, these topologies are capable of extending the voltage conversion ratio beyond the limitations of a conventional Buck converter.
In this thesis, following a detailed analysis and comparison of existing structures, an improved three-path step-down converter is introduced and analyzed. The proposed topology employs a single inductor to maintain a high power density, while utilizing two separate capacitive energy transfer paths to supply the output power. This design not only reduces the average current and electrical stress imposed on the inductor, but also significantly decreases the ripple current delivered to the load. Consequently, an inductor with a lower inductance value can be used, further optimizing the overall size, weight, and cost of the system.
Post-layout simulation results confirm the successful operation of the proposed architecture. The converter achieves an efficiency of 86% at full load, with a peak efficiency of 94%. These results were obtained under nominal operating conditions of a 1.8 V input voltage, a 0.67 V output voltage (corresponding to a 50% duty cycle), and a switching frequency of 1 MHz. Achieving this level of performance using a topology composed of fourteen semiconductor switches, four intermediate (flying) capacitors, and only one inductor highlights both the high power density and the efficient utilization of passive components in the proposed design.