شماره مدرك
20963
شماره راهنما
2451 دكتري
پديد آورنده
مشكات، امين
عنوان
تحليل، طراحي و ساخت منابع تغذيه مجتمع براي پردازندههاي جديد
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
الكترونيك
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1401
صفحه شمار
بيست و شش، 266 ص
توصيفگر ها
منابع تغذيه
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/22
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/01/22
كد ايرانداك
2882659
چكيده فارسي
تقاضا براي افزايش كارايي پردازندهها و همچنين پيشرفت فنآوري باعث شده است كه ويژگيهاي توان مورد نياز سيستمها دچار تغييرات اساسي شود. اين تغييرات به اندازهاي هستند كه استفاده از بسترهاي قديمي براي تأمين توان پردازندهها را غيرممكن ميسازد. در سيستمهاي الكترونيكي جديد تعداد هستهها و بلوكها با سرعت زيادي در حال رشد هستند. هر يك از اين هستهها و بلوكها در هر لحظه وظيفه مشخصي به عهده دارند كه طبق آن وضعيت، فركانس پالس ساعت و به دنبال آن ولتاژ تغذيه آنها بايد برابر با مقدار خاصي تنظيم شود. درواقع اين هستهها و بلوكها در هر لحظه نيازمند ولتاژ متفاوت و مستقلي از هم هستند كه مستلزم وجود تعداد زيادي منابع ولتاژ مستقل با پاسخ پوياي بسيار سريع ميباشد. تعداد بالاي تنظيمكنندهها و همچنين نياز به پاسخ پوياي سريع، پيادهسازي آنها را در حوزه غيرمجتمع ناممكن ميسازد. در پردازندههاي امروزي و نسل آينده كنار هر هسته يا بلوك، يك منبع تغذيه مجتمع قرار ميگيرد كه وظيفه تأمين توان آنرا به عهده دارد. فنآوري ساخت مدارهاي مجتمع بيشتر مناسب براي پيادهسازي مدارهاي ديجيتال كم توان است و براي آن منظور توسعه يافته است. پيادهسازي تنظيمكنندههاي ولتاژ با توان بالا در اين بستر و استفاده از المانهاي نامتعارف، يعني سلف و خازن بزرگ مجتمع، مسلماً طراحان را با چالشهايي روبرو ميكند. مسائلي از قبيل مساحت زياد مورد نياز براي پيادهسازي سلف و خازن، ضريب كيفيت پايين سلف مجتمع و كم بودن ولتاژ قابل تحمل در ترانزيستورهاي مجتمع از جمله آن موارد هستند. البته منابع تغذيه مجتمع با چالشهاي ديگري از جمله تلفات كليدزني بالا و به دنبال آن محدوديت چگالي جريان نيز روبرو ميباشند.
اولين گامي كه در اين رساله برداشته شده است در راستاي حل يكي از بزرگترين چالشهاي منابع تغذيه مجتمع يعني مسأله سلف مجتمع ميباشد. براي حل اين مسأله در سطح طراحي ساختار هندسي، دو روش سامانمند پيشنهاد شده است كه طبق آنها ميتوان سلف مجتمع را با مقدار اندوكتانس مطلوب در كوچكترين مساحت و با بزرگترين ضريب كيفيت يا كمترين تلفات و در زماني كوتاه طراحي نمود. در ادامه چهار مبدل پيشنهاد شده است كه هر كدام يك يا چند چالش در اين حوزه را كاهش ميدهد. در مبدل رزونانسي پيشنهاد شده شرايط كليدزني نرم براي كليدها فراهم شده است تا با فركانس كليدزني 750 مگاهرتز بازده بيشينه مبدل 82% باشد. همچنين چگالي جريان اين مبدل حدود 600 ميليآمپر بر ميليمترمربع است. در مبدل پيشنهادي بعدي كه از تركيب دو مبدل كليد-سلفي و كليد-خازني تشكيل شده است با فراهم نمودن دو مسير جهت تأمين جريان بار تلفات سلف كاهش داده شده است تا بازده بيشينه مبدل 72% باشد. همچنين به دليل ساختار بسيار كاهنده اين مبدل، اولاً ولتاژ ورودي اين مبدل ميتواند تا دو برابرِ ولتاژ بيشينه مجاز فنآوري ساخت باشد و ثانياً بازده در نسبت تبديل ولتاژهاي كوچك نيز زياد است به طوريكه بازده آن نسبت به يك تنظيمكننده خطي ايدهآل تا 73% بيشتر است. دو مبدل پيشنهادي بعدي در فنآوري استاندارد 18/0 ميكرومتر پيادهسازي شدهاند. مبدل پيشنهادي شبه تك سلفي با چند خروجي، يكي از چالشهاي بزرگ مبدلهاي خانواده خود را بهبود بخشيده است. اين چالش، نياز به خازنهاي خروجي بزرگ در خروجي مبدلهاي تك سلفي با چند خروجي است كه در ساختار پيشنهادي اين چالش بهبود داده شده است. تمام مدارها و بلوكهاي جانبي مبدل پيشنهادي به صورت خاص و بعضاً با ايدههاي جديد طراحي شدهاند. از جمله اين بلوكها، مدار راهانداز گيت پيشنهادي است كه نقش قابل توجهي در افزايش بازده مبدل دارد. بازده اين مبدل حدود 91% است و با توجه به كاهش خازنهاي خروجي چگالي جريان اين مبدل به مقدار 91/183 ميليآمپر بر ميليمترمربع رسيد كه نسبت به بيشترين مقدار چگالي جريان در نمونههاي پيشين دو برابر شده است. ساختار بعدي با اصلاح ساختاري شناخته شده در حوزه غيرمجتمع و اصلاح آن براي فراهم نمودن امكان پيادهسازي بهصورت مجتمع پيشنهاد شده است. در اين ساختار الگوريتم كليدزني به گونهاي پيشنهاد گرديده است كه ريپل ولتاژ خروجي كم و به دنبال آن خازن خروجي نيز كاهش يابد. المانهاي پسيو اين مبدل بر خلاف مبدلهاي پيشنهادي قبلي و به دليل كمبود مساحت تراشه، بهصورت غيرمجتمع محقق شدند. در دو فركانس 1 و 10 مگاهرتز بازده اين مبدل به ترتيب 93% و 88% ميباشد.
چكيده انگليسي
The power characteristics of modern processors have changed significantly due to the demand for increasing performance and also technology advancement. These changes make it impossible to use traditional solutions to power the modern and next generation processors. In a modern electronic system, the number of cores and blocks is increasing dramatically. Each of them has a specific task at any time, according to which their clock frequency and supply voltage must be set to a certain value. Indeed, each of these cores and blocks require a different and independent adjustable voltage. This means that a modern electronic system requires a large number of independent voltage sources with very fast dynamic response. Therefore, it is impossible to use discrete power supplies. In todays and next generation processors, an integrated voltage regulator is implemented near each core and block, which provides its power. Semiconductor manufacturing process has been developed to implement low voltage and low current digital circuits. Therefore, designers face serious challenges to implement high voltage and high current voltage regulators in this technology. The large area required to implement on-chip inductors and capacitors, low quality-factor of on-chip inductor, low voltage switches, high switching power loss and low current density are some of these challenges
.
On-chip inductor as one of the major challenges in Fully Integrated Voltage Regulators (FIVRs) is the first issue that has been addressed in this thesis. Two systematic methods have been proposed, according to which the on-chip inductor geometric properties can be designed to achieve desired inductance in the minimum area with maximum quality-factor or minimum power loss. In the following, four converters are proposed to solve some of the major challenges of FIVRs. In the proposed resonant converter, soft switching conditions are provided for the switches such that the maximum efficiency of 82% is achieved at the switching frequency of 750MHz. Also, the current density of the proposed resonant converter is about 600mA/mm2. A fully integrated switched-inductor switched-capacitor (SISC) converter is the next proposed converter. The dual-path structure of the proposed converter reduces the on-chip inductor power loss such that the maximum efficiency of 72% is achieved. Due to high step-down characteristic of the proposed SISC converter, a significant improvement in Efficiency Enhancement Factor (EEF) is achieved in comparison to other counterpart topologies (EEF is equal to 73%). Also, the input voltage can be increased up to twice the maximum allowable process limit. The next two proposed converters are fabricated in 0.18um standard CMOS process. The proposed Pseudo Single-Inductor Multiple-Output (PSIMO) converter has improved one of the major challenges of this family of converters. This family of converters suffers from the problem of large output capacitors, which has been improved in the proposed converter. All feedback loop and driver circuits are designed at transistor level. The proposed gate-driver circuit, as one of the important designed blocks, causes a significant improvement in the power efficiency of the proposed converter. The maximum efficiency is about 91% and due to the reduction of the output capacitors, the current density has reached 183.91mA/mm2, which is doubled compared to other counterparts. The last structure is proposed based on a well-known discrete converter and it has been modified in such a way that it can be implemented on chip, without worrying about the reliability. A new switching algorithm has been proposed to reduce output voltage ripple as well as the output capacitor. At two frequencies of 1MHz and 10MHz, the efficiency of the proposed converter is 93% and 88%, respectively
استاد راهنما
رسول دهقاني
استاد مشاور
حسين فرزانه فرد
استاد داور
مسعود سيدي