Les téléphones et tablettes de dernière génération embarquent une puissance de calcul numérique très importante nécessitant une puissance électrique d’alimentation toute aussi significative. Afin de réduire la consommation énergétique des composants numériques complexes des terminaux mobiles, des techniques de modulation dynamique de la tension d’alimentation et de la fréquence de fonctionnement du cœur de calcul numérique sont utilisées. Le convertisseur DC/DC qui assure l’alimentation du cœur numérique doit donc faire face à de forts transitoires de charge, de tension de référence et de tension de source. Le contrôle en mode glissant d’un convertisseur DC/DC permet un bon compromis entre les performances transitoires du convertisseur, la réalisation via des composants analogiques et la puissance dissipée par le contrôleur. C’est pourquoi ce type de contrôle apparait être adapté au contrôle de convertisseurs DC/DC alimentant des cœurs numériques. Cette thèse a pour objet l’étude des alimentations sur carte électronique où le contrôleur et l’étage de puissance sont intégrés sur puce tandis que les composants de puissance passifs sont montés sur le circuit imprimé. Le contrôle en mode glissant à fréquence de découpage fixe d’un convertisseur DC/DC a été démontré avec des résultats significatifs. Cependant les performances transitoires d’un tel convertisseur sont amoindries en raison des délais introduits par une fréquence de découpage fixe. Une nouvelle structure de régulation de fréquence de découpage d’un convertisseur DC/DC contrôlé en mode glissant est proposée dans cette thèse. Cette structure régule la fréquence de découpage moyenne du convertisseur tout en maintenant la réponse transitoire du convertisseur asynchrone par rapport à l’horloge de référence. Une analyse de stabilité qui prend en compte les spécificités d’un tel système est aussi proposée. Le convertisseur a été conçu sur un procédé CMOS 130nm de STMicroelectronics. La fréquence de découpage est maintenue volontairement faible pour conserver un rendement élevé avec des composants passifs externes. Le prototype présente un rendement supérieur à 80% entre 2.4mW et 960mW de puissance de sortie. / Mobile applications necessitate nowadays huge digital-resources. Power management of a digital System-On-Chip (SOC) is based on dynamic voltage scaling. DC/DC converters used to supply the digital SoCs are facing stringent constraints with respect to load-transients, line-transients and reference tracking. Hysteretic control is known as the most convenient control scheme with a fair trade-off between transient performances, analog implementation and power consumption, particularly for one-phase architecture. The thesis focuses on-board DC/DC with a significant constraint on footprint (i.e. on components count and values). Fixed switching-frequency hysteretic control has been experimented with significant results. Transient performances are reduced due to latency introduced in the switching frequency control. The present study focuses on the improvement of the concept as well as its implementation and the analysis of stability. A new analog implementation of the sliding-mode control is presented with switching-frequency control using a particular analog phase-locked-loop but preserve transient performances. The DC/DC converter is implemented in CMOS 130nm by STMicroelectronics. The switching frequency range has been voluntarily limited and excludes the possible integration of passive components for the sake of silicon access. A hybrid demonstrator is presented with efficiency higher than 80\% between 2.4 mW and 960 mW output power.

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales. / The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.

Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en « multi niveau » et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25μm de ST Microelectronics. / Embedded systems such as mobile phones, tablets and GPS incorporate an increasing number of electronic functions that generate a decrease in battery life. The aim of this work is to propose new solutions for audio amplifiers for the headphone application because this application has a large impact on battery autonomy. To improve the efficiency of actual amplifiers, a behavioral model of this kind of amplifier has been developed and validated by practical measures. This model, fast, accurate and reconfigurable allows in few seconds to evaluate the efficiency, consumption and quality of sound reproduction in real conditions of operation. Through the use of this model coupled with an optimizing method based on two algorithms, several architectures of level detector were studied and compared allowing to define the best compromise. A new architecture is then proposed, simulated and optimized in a 0.25μm technology from ST Microelectronics to demonstrate the feasibility of the solution.

Les mémoires non-volatiles programmables une fois sont en plein essor dans le monde de l’électronique embarquée. La traçabilité, la configuration ou encore la réparation de systèmes sur puce avancés font partis des applications adressées par ce type de mémoire. Plus particulièrement, la technologie antifusible présente des propriétés de sécurité autorisant le stockage d’information sensible.Ce travail de thèse est orienté vers la compréhension des mécanismes de claquage d’oxydes minces sollicités pour la programmation des cellules antifusibles ainsi que l’intégration au niveau système de moyens de détections. Une première étape fut d’étudier les phénomènes de claquage de diélectrique type SiO2 et à haute permittivité sous l’application d’un fort champ ́électrique. Des techniques de mesures dédiées ont été développées afin de réaliser des caractérisations dans les conditions de programmation des mémoires antifusible sollicitant des temps au claquage inférieurs à la micro-seconde. Ces mesures ont ensuite permis l’étude statistique du claquage des diélectriques ainsi que la modélisation sous de hautes tensions ; hors des gammes étudiées traditionnellement dans le domaine de la fiabilité. Le modèle proposé permet l’optimisation des dimensions d’une cellule élémentaire en fonction d’un temps au claquage défini au préalable. Un mécanisme inattendu occasionnant un sur courant substrat a également été mis en évidence pendant la phase de programmation. L’étude de ce phénomène a été réalisée par des caractérisations électriques et des simulations afin de conclure sur l’hypothèse d’un déclenchement d’un transistor bipolaire parasite de type PNP dans la cellule antifusible. L’impact des conditions de programmation sur le courant de lecture mesuré sous une basse tension a également été analysé. Des structures de tests analogiques dédiés ont été conçues afin de contrôler l’amplitude du courant de programmation. Le contrôle du temps de programmation est quant à lui accompli par un système de détection de courant et de temporisation. Finalement, ces solutions sont validées par un démonstrateur d’une capacité de 1-kb conçu et fabriqué sur une technologie CMOS standard avancée 32nm. / Non-volatile one-time programmable memories are gaining an ever growing interest in embedded electronics. Chip ID, chip configuration or system repairing are among the numerous applications addressed by this type of semiconductor memories. In addition, the antifuse technology enables the storage of secured information with respect to cryptography or else. The thesis focuses on the understanding of ultrathin gate-oxide breakdown physics that is involved in the programming of antifuse bitcells. The integration of advanced programming and detection schemes is also tackled in this thesis. The breakdown mechanisms in the dielectric material SiO2 and high-K under a high electric field were studied. Dedicated experimental setups were needed in order to perform the characterization of antifuse bitcells under the conditions define in memory product. Typical time-to-breakdown values shorter than a micro second were identified. The latter measurements allowed the statistical study of dielectric breakdown and the modeling in a high voltage range, i.e. beyond the conventional range studied in reliability. The model presented in this PhD thesis enables the optimization of the antifuse bitcell sizes according to a targeted mean time-to- breakdown value. A particular mechanism leading to a high bulk current overshoot occuring during the programming operation was highlighted. The study of this phenomenon was achieved using electrical characterizations and simulations. The triggering of a parasitic P-N-P bipolar transistor localized in the antifuse bitcell appeared as a relevant hypothesis. The analysis of the impact of the programming conditions on the resulting read current measured under a low voltage was performed using analog test structures. The amplitude of the programming current was controlled in an augmented antifuse bitcell. The programming time is controlled by a programming detection system and a delay. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb demonstrator yet designed and fabricated in a logic 32-nm CMOS process.

Les circuits intégrés (CI) devenant de plus en plus complexes et vulnérables face aux décharges électrostatiques (ESD pour ElectroStatic Discharge), la capacité à vérifier de manière fiable la présence de défauts de conception ESD sur des puces comptant plusieurs milliards de transistors avant tout envoi en fabrication est devenu un enjeu majeur dans l’industrie des semi-conducteurs. Des outils commerciaux automatisés de dessin électronique (EDA pour Electronic Design Automation) et leur flot de vérification associé permettent d’effectuer différents types de contrôles qui se sont révélés être efficaces pour des circuits avec une architecture classique. Cependant, ils souffrent de limitations lorsqu’ils sont confrontés à des architectures inhabituelles, dites custom. De plus, ces méthodes de vérification sont généralement effectuées tard dans le flot de conception, rendant toute rectification de dessin coûteuse en termes d’efforts correctifs et de temps. Cette thèse de doctorat propose une méthodologie de vérification ESD systématique et multi-échelle introduite dans un outil appelé ESD IP Explorer qui a été spécifiquement implémenté pour couvrir le flot de conception dans sa globalité et pour adresser des circuits dits custom. Il est composé d’un module de reconnaissance et d’un module de vérification. Le module de reconnaissance identifie tout d’abord et de manière automatisée les structures de protection ESD, embarquées sur silicium dans le circuit intégré pour améliorer leur robustesse ESD, selon un mécanisme de reconnaissance topologique. Le module de vérification convertit ensuite le réseau de protection ESD, formé des structures de protection ESD, en un graphe dirigé. Finalement, une analyse ESD quasi-statique reposant sur des algorithmes génériques issus de la théorie des graphes est effectuée sur la globalité du circuit à vérifier. Des algorithmes d’apprentissage automatique ont été employés pour prédire les comportements quasi-statiques des protections ESD à partir des paramètres d’instance de leurs composants élémentaires sous la forme d’une liste d’interconnexions. L’avantage ici est qu’aucune simulation électrique n’est requise pendant toute la durée d’exécution d’ESD IP Explorer, ce qui simplifie l’architecture de l’outil et accélère l’analyse. Les efforts d’implémentation ont été concentrés sur la compatibilité d’ESD IP Explorer avec le nœud technologique 28nm FD-SOI (pour Fully Depleted Silicon On Insulator). L’outil de vérification développé a été utilisé avec succès pour l’analyse d’un circuit incorporant des parties numériques et à signaux mixtes et comprenant plus de 1,5 milliard de transistors en seulement quelques heures. Des circuits custom qui n’ont pas pu être vérifiés au moyen d’outils de vérification traditionnels du fait de problèmes d’incompatibilité ont également pu être soumis à analyse grâce à ESD IP Explorer. / As Integrated Circuits (ICs) become more complex and susceptible to ElectroStatic Discharges (ESD), the ability to reliably verify the presence of ESD design weaknesses over a multi-billion transistor chip prior to the tape-out is a major topic in the semiconductor industry. Commercial tools dedicated to Electronic Design Automation (EDA) and related verification flows are in charge of providing checks that have been proven to be efficient for circuits with a mainstream architecture. However, they suffer limitations when confronted with custom designs. Moreover, these verification methods are often run late in the design flow, making any design re-spin costly in terms of corrective efforts and time. This Ph. D. thesis proposes a systematic and scalable ESD verification methodology embodied in a tool called ESD IP Explorer that has been specifically implemented to cover the entire design flow and to comply with custom circuit architectures. It is composed of a recognition module and a verification module. The recognition module first automatically identifies ESD protection structures, embedded in integrated circuits to enhance their ESD hardness, according to a topology-aware recognition mechanism. The verification module then converts the ESD protection network that is formed by ESD protection structures into a directed graph. There, technology-independent and graph-based verification mechanisms perform a chip-scale quasistatic ESD analysis. Machine learning algorithms have been used in order to infer the quasistatic behavior of ESD IPs from the netlist instance parameters of their primary devices. This approach has the advantage that no simulation is required during the execution of ESD IP Explorer, which makes the tool architecture simpler and improves execution times. Implementation efforts pertained to the compliance of ESD IP Explorer with the 28nm Fully Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) technology node. The developed verification tool has been used to successfully analyze a digital and mixed-signal circuit prototype counting more than 1.5 billion transistors in several hours, as well as custom designs that could not be analyzed by means of traditional verification tools due to incompatibility issues.

L'intégration de nombreuses fonctions complexes dans les systèmes embarqués, tels que les téléphones portables, conduit à optimiser la consommation d'énergie pour maintenir l'autonomie de fonctionnement. Concernant la chaine de reproduction sonore, la consommation a été réduite par l'utilisation d'amplificateurs de classe D analogique, mais la nature numérique de la source audio impose encore un convertisseur numérique analogique en amont. La forte consommation de ce CAN et la qualité de reproduction sonore de l'amplificateur sont actuellement les principales limitations de cette approche. Ce travail de recherche, réalisé en quatre phases, a donc pour objectifs d'apporter des améliorations et de proposer de nouvelles architectures pour réduire ces limitations. Concernant l'amplificateur de classe D analogique, une boucle d'asservissement analogique basée sur un modulateur auto-oscillant à hystérésis a été développée pour réduire la consommation et augmenter sa qualité de reproduction. Cette étude a été validée par la réalisation d'un circuit en technologie CMOS 130 nm. La possibilité de piloter l'amplificateur de classe D directement par un signal de commande numérique a ensuite été envisagée. Le train d'impulsions nécessaire à la commande de l'étage de puissance est obtenu par modulation numérique de la source audio. L'utilisation en boucle ouverte de l'étage de puissance ne permet néanmoins pas d'obtenir un signal audio de sortie insensible aux variations de l'alimentation. Un asservissement analogique local autour de l'étage de puissance est donc nécessaire. La réalisation en technologie CMOS 130 nm de cette architecture a permis la validation des études effectuées (fonctionnement, stabilité, bande passante, modélisations des éléments non linéaires,...). / The integration of many complex functions in embedded systems such as mobile phones, led to optimize energy consumption to maintain operational autonomy. Concerning the chain of sound reproduction, consumption was reduced by the use of analog Class D amplifiers, but the nature of the digital audio source requires a digital to analog converter further upstream. The high consumption of the ADC and the quality of sound reproduction of the amplifier are currently the main limitations of this approach. This research, conducted in four phases, thus aims to make improvements and propose new architectures to reduce these limitations. Regarding the Class D amplifier analog control loop an analog modulator based on a self-oscillating hysteresis has been developed to reduce consumption and increase its quality of reproduction. This study was validated by the realization of a circuit in CMOS 130 nm. The ability to control the class D amplifier directly from a digital control signal was then considered. The train of pulses needed to control the power stage is obtained by digital modulation of the audio source. The use of open-loop output stage, however, does not produce an audio signal output insensitive to variations in the diet. A local analog servo around the power stage is required. Realization in CMOS 130 nm of this architecture has allowed the validation studies (operation, stability, bandwidth, modeling non-linear elements ,...). The interface between the digital modulator and the analog part is very sensitive to disturbance. A digital control overall Class D amplifier with digital control has been studied to control the interface. A prototype of this control is in progress.

L'objectif de la thèse est de concevoir des compensateurs discrets qui permettent de compenser les non-linéarités introduites par les différents éléments dans la boucle de commande numérique, tout en maintenant des performances dynamiques élevées, des temps de développement rapide, et une structure reconfigurable. Ces compensateurs discrets doivent également avoir des temps de réponse rapide, avoir une déviation de la tension minimale et avoir, pour un étage de puissance donné, un temps de récupération rapide de la tension. Ces performances peuvent être atteintes par des compensateurs discrets conçus sur la base de techniques de contrôle linéaires et non linéaires. Pour obtenir une réponse rapide et stable, la thèse propose deux solutions : La première consiste à utiliser des techniques de contrôle linéaires et de concevoir le compensateur discret tout en gardant la bande passante la plus élevée possible. Il est communément admis que plus la bande passante est élevée, plus la réponse transitoire est rapide. L‘obtention d’une bande passante élevée, en utilisant des techniques de contrôle linéaires, est parfois difficile. Toutes ces situations sont mises en évidence dans la thèse. La seconde consiste à combiner les techniques de contrôle linéaires avec les techniques de contrôles non linéaires tels que la logique floue ou les réseaux de neurones. Les résultats de simulations ont permis de vérifier que la combinaison des contrôleurs non-linéaires avec les linéaires ont un meilleur rendement dynamique que les contrôleurs linéaires lorsque le point de fonctionnement varie. Avec l'aide des deux méthodes décrites ci-dessus, la thèse étudie également la technique de l’annulation des pôles-zéros (PZC) qui annule la fonction de transfert du convertisseur. Quelques modifications des techniques classiques de contrôle sont également proposées à partir de contrôleurs numériques afin d’améliorer les performances dynamiques. La thèse met également en évidence les non-linéarités qui dégradent les performances, propose les solutions permettant d'obtenir les meilleures performances, et lève les mystères du contrôle numérique. Une interface graphique est également introduite et illustrée dans le cas de la conception d'un convertisseur abaisseur de tension synchrone. En résumé, cette thèse décrit principalement l'analyse, la conception, la simulation, l’optimisation la mise en œuvre et la rentabilité des contrôleurs numériques. Une attention particulière est portée à l'analyse et l'optimisation des performances dynamique à haute fréquence et pour de faibles puissances des convertisseurs DC-DC abaisseur de tension. Ces convertisseurs fonctionnent en mode de conduction continue (CCM) à une fréquence de commutation de 1 MHz et s’appuie sur des techniques de contrôle linéaires et non linéaires de façon séquentielle. / The objective of the thesis is to design the discrete compensators which counteract the nonlinearities introduced by various elements in the digital control loop while delivering high dynamic performance, fast time-to-market and scalability. Excellent line and fast load transient response, which is a measure of the system response speed, with minimal achievable voltage deviation and a fast voltage recovery time for a given power stage can be achieved through the discrete compensators designed on the basis of linear and nonlinear control techniques. To achieve a stable and fast response, the thesis proposes two ways. One way is to use linear control techniques to design the discrete compensator while keeping the bandwidth higher. It is well-known fact that the higher the bandwidth, the faster is the transient response. Achieving higher bandwidth through linear control techniques sometimes becomes tricky. All those situations are highlighted in the thesis. The other way is to hybridize the linear control techniques with the nonlinear control techniques such as fuzzy logic or neural network based control techniques. Simulation results verify that hybridization of nonlinear controllers with the linear ones have better dynamic performance over linear controllers under the change of operating points. Along with using the two methodologies described above, the thesis also investigates the pole-zero cancellation (PZC) technique in which the poles and zeros of the compensator are placed in such a way that they cancel the effect of the poles or zeros of the buck converter to boost the phase margin at the required bandwidth. Some modifications are also suggested to the classical control techniques based digital controllers to improve the dynamic performance. The thesis highlights the nonlinearities which degrade the performance, a cost-effective solution that achieves good performance and the mysteries of digital control system. A graphical user interface is introduced and demonstrated for use with the design of a synchronous-buck converter. In summary, this thesis mainly describes the analysis, design, simulation, optimization, implementation and cost effectiveness of digital controllers with particular focus on the analysis and the optimization of the dynamic performance for high-frequency low-power DC-DC buck converter working in continuous conduction mode (CCM) operating at a switching frequency of 1 MHz using linear and nonlinear control techniques in a very sequential and comprehensive way.

L’utilisation des alimentations à découpage (SMPSs : switched mode power supplies) est à présent largement répandue dans des systèmes embarqués en raison de leur rendement. Les exigences technologiques de ces systèmes nécessitent simultanément une très bonne régulation de tension et une forte compacité des composants. SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) est un convertisseur à découpage DC/DC qui possède plusieurs avantages par rapport à d’autres convertisseurs de structure classique. Du fait de son ordre élevé et de sa forte non linéarité, il reste encore peu exploité. L’objectif de ce travail est d’une part le développement des stratégies de commande performantes pour un convertisseur SEPIC et d’autre part l’implémentation efficace des algorithmes de commande développés pour des applications embarquées (FPGA, ASIC) où les contraintes de surface silicium et le facteur de réduction des pertes sont importantes. Pour ce faire, deux commandes non linéaires et deux observateurs augmentés (observateurs d’état et de charge) sont exploités : une commande et un observateur fondés sur le principe de mode de glissement, une commande prédictive et un observateur de Kalman étendu. L’implémentation des deux lois de commande et l’observateur de Kalman étendu sont implémentés sur FPGA. Une modulation de largeur d’impulsion (MLI) numérique à 11-bit de résolution a été développée en associant une technique de modulation Δ-Σ de 4-bit, un DCM (Digital Clock Management) segmenté et déphasé de 4-bit, et un compteur-comparateur de 3-bit. L’ensemble des approches proposées sont validées expérimentalement et constitue une bonne base pour l’intégration des convertisseurs à découpage dans les alimentations embarquées. / The use of SMPS (Switched mode power supply) in embedded systems is continuously increasing. The technological requirements of these systems include simultaneously a very good voltage regulation and a strong compactness of components. SEPIC ( Single-Ended Primary Inductor Converter) is a DC/DC switching converter which possesses several advantages with regard to the other classical converters. Due to the difficulty in control of its 4th-order and non linear property, it is still not well-exploited. The objective of this work is the development of successful strategies of control for a SEPIC converter on one hand and on the other hand the effective implementation of the control algorithm developed for embedded applications (FPGA, ASIC) where the constraints of Silicon surface and the loss reduction factor are important. To do it, two non linear controls and two observers of states and load have been studied: a control and an observer based on the principle of sliding mode, a deadbeat predictive control and an Extended Kalman observer. The implementation of both control laws and the Extended Kalman observer are implemented in FPGA. An 11-bit digital PWM has been developed by combining a 4-bit Δ-Σ modulation, a 4-bit segmented DCM (Digital Clock Management) phase-shift and a 3-bit counter-comparator. All the proposed approaches are experimentally validated and constitute a good base for the integration of embedded switching mode converters

Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité. / Owing to the development of modern semiconductor technology, it is possible to implement a digital controller for low-power high switching frequency DC-DC power converter in FPGA and ASIC. This thesis is intended to propose digital controllers with high performance, low power consumption and simple implementation architecture. Besides existing digital control-laws, such as PID, RST, tri-mode and sliding-mode (SM), a novel digital control-law, direct control with dual-state-variable prediction (DDP control), for the buck converter is proposed based on the principle of predictive control. Compared to traditional current-mode predictive control, the predictions of the inductor current and the output voltage are performed at the same time by adding a control variable to the DPWM signal. DDP control exhibits very high dynamic transient performances under both load variations and reference changes. Experimental results in FPGA verify the performances at switching frequency up to 4MHz. For the boost converter exhibiting more serious nonlinearity, linear PID and nonlinear SM controllers are designed and implemented in FPGA to verify the performances. A digital control requires a DPWM. Sigma-Delta DPWM is therefore a good candidate regarding the implementation complexity and performances. An idle-tone free condition for Sigma-Delta DPWM is considered to reduce the inherent tone-noise under DC-excitation compared to the classic approach. A guideline for Sigma-Delta DPWM helps to satisfy proposed condition. In addition, an 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM with a feasible dither generation module is proposed to further restrain the idle-tone effect without deteriorating the closed-loop stability as well as to preserve a reasonable cost in hardware resources. The FPGA-based experimental results verify the performances of proposed DPWM in steady-state and transient-state. Two ASICs in 0.35µm CMOS process are implemented including the tri-mode controller for buck converter and the PID and SM controllers for the buck and boost converters respectively. The lab-scale tests are designed to lead to a power assessment model suggesting feasible applications. For the tri-mode controller, the measured power consumption is only 24.56mW/MHz when the time ratio of stand-by operation mode is 0.7. As specific power optimization strategies in RTL and system-level are applied to the latter chip, the measured power consumptions of the SM controllers for buck converter and boost converter are 4.46mW/MHz and 4.79mW/MHz respectively. The power consumption is foreseen as less than 1mW/MHz when the process scales down to nanometer technologies based on the power-scaling model. Compared to the state-of-the-art analog counterpart, the prototype ICs are proven to achieve comparable or even higher power efficiency for low-to-medium power applications with the benefit of better accuracy and better flexibility.