Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’alimentation des systèmes électroniques portables à faible puissance (1W environ) et fonctionnant sous faible tension. Avec la demande croissante pour la conversion d’énergie dans ces systèmes, l’intégration et la miniaturisation du convertisseur DC-DC devient une zone d’intérêt fort. Des recherches récentes ont montré des convertisseurs avec des fréquences de commutation pouvant atteindre 100 MHz. Pour de faibles niveaux de tension (1 V) et des puissances aux environs du Watt, les valeurs d’inductance de lissage de ces convertisseurs envisagées sont de l’ordre d’une centaine de nanoHenry. Ceci relance l’intérêt d’étudier l’intégration des composants passifs de dimensions millimétriques au sein d’un même boîtier avec les parties actives. Dans ce contexte, les travaux présentés dans ce manuscrit sont abordés par la conception d’inductances planaires en forme de spirale avec un noyau magnétique. Les simulations ont permis d’analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques de l’inductance pour établir une structure d’inductance optimale en fonction de la limite de la technologie de réalisation. Une inductance planaire prise en sandwich entre deux couches de matériau magnétique est proposée. Les simulations ont montré l’intérêt de réaliser un tel composant. Sa structure présente plusieurs avantages, elle permet d’augmenter considérablement la valeur d’inductance tout en gardant le même encombrement par rapport à une inductance sans noyau magnétique. Elle permet également de réduire les perturbations électromagnétiques avec les composants environnants. Un procédé technologique de réalisation des inductances, basé sur la croissance électrolytique de cuivre à température ambiante, a été développé et optimisé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé est reproductible et permet une fabrication collective de composants. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés et de valider les performances de ces derniers. Ce travail propose une solution pour la réalisation de la puce active sur l’inductance dans le cadre d’un SOC (System-On-Chip). Il souligne par ailleurs l’importance de l’intégration pour l’électronique de faible puissance / The work in this thesis contributes to the domain of low power (1W approximately) portable electronic systems. These systems require integrated and miniaturized of DC-DC converters. Recent studies have demonstrated converters with high switching frequency as high as 100 MHz, requiring smaller passive components. For low voltage values (1V approximately) and 1 watt output power, the inductance value of these converter filters is about a hundred nanoHenry. Such inductors can be integrated on a millimetric scale in the same package as the active die. In this context, the work presented in this thesis starts with the design of planar spiral inductors with a magnetic core. Simulations allowed to analyze the relation between geometrical and electrical parameters of the inductor in order to design an optimal inductor. A planar inductor sandwiched between two layers of magnetic material is proposed. Simulations showed the advantages of fabricating of such component. Its structure allows to increase the inductance value without modifying the inductor’s surface compared to a coreless inductor. It also allows to reduce the electromagnetic interferences with the rest of the circuit. A technological process for the fabrication of the inductors has been developed and optimized in order to valid the previous design. This process is based on copper electroplating technique which is compatible with a repeatable and a mass fabrication of inductors. A characterization bench was also developed in order to determine the operating frequency limits of the fabricated components as well as to validate their performance. This work offers a solution for the realization of the active chip on the inductor (SOC, System- On-Chip). It also emphasizes the importance of the integration for low power electronics

Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l’augmentation exponentielle de la densité d’intégration des composants et des systèmes a participé activement à l’apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d’énergie n’a pas suivi cette tendance d’évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d’énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d’autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l’omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l’exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l’étude et l’optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d’énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d’un système d’interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d’interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d’entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d’interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d’abord sur l’utilisation d’un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d’une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l’autonomie du système en éliminant la nécessité d’une source d’énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L’efficacité du système en termes de rendement énergétique et d’adaptation d’impédance est garantie grâce à l’utilisation d’un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d’impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques μW respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l’état de l’art. Enfin, en fonction de l’application désirée, plusieurs synoptiques d’association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie. / Latest advancements in microelectronic technologies and especially with the exponential increase of components and devices integration density have yield novel high technology and polyvalent portable systems. Such polyvalent communication devices need more and more available energy. Nonetheless, research in energy storage technology did not evolve with a similar speed. This constitutes a substantial handicap for the future evolution of portable devices. Wireless energy transfer through large distances such as tens of meters using microwaves is a very promising solution in order to deal with the autonomy problem in portable devices. In addition, since electromagnetic waves are ubiquitous in our environment, harvesting and using this free and available energy is also possible. Rectenna (Rectifying Antenna) is the device that allows to collect and to convert an electromagnetic wave into DC power. Several thesis research projects focusing on studying and optimizing the rectenna was carried-out into the Ampere laboratory. It has been shown that for a low level of the electromagnetic field the voltage provided by the rectenna is ultra-low and thus impractical. Further, as it is the case for the majority of energy harvesting micro-sources, the performances of the rectenna depend highly with the loading conditions. So, the development of an interfacing circuit for the rectenna is a necessary task in order to relieve the RF/DC converter inherent flaws. As it is pointed out into the literature, such power management circuit is in most cases absent due to the ultra-low power levels. In most cases, the rectenna is used as it; which reduces strongly the applications area. Within this research project, an ultra-low power and fully-autonomous power management system dedicated to rectennas was developed and optimized. It allows to guarantee highest performances of the rectenna whatever are the fluctuation of the input power level and the output load conditions. In addition, this power management system allows to provide a conventional voltage level to the load. The first part of the developed system is composed by a resonant DC/DC converter which plays the role of start-up circuit. In this case, no external energy source is required even with low voltage and ultra-low power source conditions. Because of its general poor energetic performances, this resonant converter will be used only during the start-up phase. The second part of the developed system is composed by a Flyback converter operating in its discontinuous conduction mode. Using this mode, the converter realizes static and very effective impedance matching with the rectenna in order to extract the maximum available power whatever are the input and the output conditions. Furthermore, thanks to the optimization procedure, the converter shows excellent efficiency performances even for μW power levels based on a discrete demonstrator. Finally, the converter provides conventional voltage levels allowing to power standard electronics. Experimental tests based on discrete prototypes for the both converters show distinguish results for the start-up voltage, the impedance matching effectiveness and the efficiency as regard to the state of the art.

L’essor et l’évolution des systèmes de télécommunication sont liés inéluctablement à la montée en fréquence et à l’augmentation des bandes passantes des futurs systèmes d’une part, et à une place sans cesse croissante prise par l’électronique numérique dans les chaînes d’émission/réception d’autre part. Concernant ce deuxième aspect, la génération de puissance RF avant émission est encore à ce jour implémentée de façon analogique, mais la gestion énergétique des amplificateurs de puissance RF est de plus en plus assistée numériquement. L’apparition du ‘numérique’ dans le domaine de la puissance RF se traduit par la mise en œuvre de systèmes électroniques fonctionnant en commutation : modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking, convertisseurs numérique-analogique de puissance (Power-DAC) ou amplificateurs en commutation à fort rendement (classe S ou D). C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse : deux dispositifs de commutation originaux à base de transistors GaN HEMT sont présentés, analysés et réalisés en technologie MMIC. Ces cellules de commutation élémentaires permettent, jusqu’à des fréquences de quelques centaines de MHz, de commuter des tensions jusqu’à 50V, avec des puissances de l’ordre de 100W, ceci avec un rendement énergétique supérieur à 80%. Ces cellules de commutation sont ensuite utilisées dans diverses applications : deux types de modulateurs de polarisation destinés à l’envelope tracking ainsi que deux architectures d’amplificateurs classe D (demi-pont et pont en H) sont étudiés et les résultats expérimentaux permettent de valider ces différentes topologies. / Telecommunication systems development is linked to working frequency and bandwidths increasement of future systems on one hand, and the growing place taken by digital electronics in the transmission chains on the other hand. Concerning the second point, the RF power generation in emitters is still implemented in an analog way, but the energy management of the RF power amplifiers is more and more assisted by numeric devices. The appearance of the 'digital technology' in the field of RF power is characterized by the implementation of high speed switching electronic systems like bias modulators for envelope tracking, power digital to analog converters (Power-DAC) or switching mode RF amplifiers (Classe S or D). This thesis work fits in this context, it describes two original switching devices based on GaN HEMT transistors. These elementary switching cells are realized in MMIC technology, they allow switching frequencies up to few hundreds MHz, with voltages reaching 50V, powers about 100W and energy efficiency greater than 80%. These switching cells are then used in various applications: two kinds of bias modulators for envelope tracking system as well as two architectures of class D amplifiers (half-bridge and full-bridge) are analyzed and validated by experimental results.

La conception de circuit à très faible tension d'alimentation est un moyen depuis longtemps connu pour diminuer la consommation d'énergie des circuits pour un même service rendu [VITTOZ weak inversion]. La faible tension permet de gagner à la fois en courant de fuite [K ROY leakage] et surtout en courant dynamique qui reste la partie de l'énergie consommée la plus ardue a maîtriser. Elle s'accompagne d'un délai multiplié par plusieurs ordres de grandeur et une sensibilité accrue aux variations de paramètres des dispositifs. Cette variation étant plus grande dans les technologies récentes, la conception à très faible tension était jusqu'à récemment limitée aux nœuds technologiques en deçà de 40nm, mais des avancées récentes en technologie 32nm ont été publiés [TI ISSCC2011]. Un premier travail de thèse [ABOUZEID PhD], a permis de confirmer la faisabilité de la conception de circuit ULV. Plus précisément ont été démontrées : · une méthodologie de conception de cellules logiques en technologie 90nm, 65nm, 45nm et 40nm · une adaptation des flots automatiques d'implémentation et de vérification en 40nm · un précurseur de SRAM en CMOS65nm Sur cette base le présent travail de thèse consistera en l'élargissement de l'éventail du champ de conception ULV vers la gestion d'alimentation, la compensation des conditions environnementales et l'optimisation architecturale afin de préparer l'industrialisation de futures applications ULV. / IoT applications continue to push towards ultra-low-power constrained ASICs, creating severe challenges to achieve sufficient power efficiency in extreme Voltage and Temperature conditions. Thus, it is necessary to build closed-loop compensation systems that are autonomous to environmental conditions especially temperature at sub-threshold regime. Two major work are proposed: an adaptive techniques that allow to enhance the performance of designs that leverage aggressive voltage scaling. we fully exploits the FD-SOI 28nm technology dual gate capabilities to both attain optimal power efficiency points and compensate for gradual changes in overall device performance due to process, voltage, and temperature variations. Our proposed compensation Unit system is a fully-digital error-prediction solution providing a compromise between industry reliability requirements and manufacturing guard-band reduction with low-invasiveness and post-silicon tunability. Critical-Paths timing monitors are distributed across the processor and tuned to match the closest critical paths. A programmable workload emulator allows to adapt and take into account the processor tasks. Generated warning Flags due to V-T variations are analyzed based on an adjustable warning rate and body bias is adapted correspondingly. Based on the operation voltage, either fine or coarse body biasing can be activated for compensation. The second part of this thesis addresses on-chip temperature monitoring that plagues aggressively voltage scaled ASICs. We propose to closely monitor temperature fluctuations at low-voltage but also hot-spot detection at nominal and over-drive supply voltage conditions.

L’intégration ultime de convertisseurs à découpage repose sur deux axes de recherche. Le premier axe est de développer les convertisseurs à capacités commutées. Cette approche est compatible avec une intégration totale sur silicium, mais limitée en terme de densité de puissance. Le second axe est l’utilisation de convertisseurs à inductances, qui pâtissent d’imposants composants passifs. Une augmentation de la fréquence permet de réduire les valeurs des composants passifs. Cependant une augmentation de la fréquence implique une augmentation des pertes par commutation, ce qui est contrebalancé par l’utilisation d’une technologie de fabrication plus avancée. Ces technologies plus avancées souffrent quant à elles de limitations au niveau de leur tension d’utilisation. Convertir une tension de 3,3V vers une tension de 1,2V apparait donc comme un objectif ambitieux, particulièrement dans le cas où les objectifs de taille minimale et de rendement supérieur à 90 % sont visés. Un assemblage 3D des composants actifs et passifs permet de minimiser la surface du système. Un fonctionnement à haute fréquence est aussi considéré, ce qui permet de réduire les valeurs requises pour les composants passifs. Dans le contexte de l’alimentation « on-chip », la technologie silicium est contrainte par les fonctions numériques. Une technologie 40 nm CMOS de type « bulk » est choisie comme cas d’étude pour une tension d’entrée de 3,3 V. Les transistors 3,3 V présentent une figure de mérite médiocre, les transistors 1,2 V sont donc choisis. Ce choix permet en outre de présenter une meilleure compatibilité avec une future intégration sur puce. Une structure cascode utilisant trois transistors en série est étudiée est confrontée à une structure standard à travers des simulations et mesures. Une fréquence de +100MHz est choisie. Une technologie de capacités en tranchées est sélectionnée, et fabriquée sur une puce séparée qui servira d’interposeur et recevra la puce active et les inductances. Les inductances doivent être aussi fabriquées de manière intégrée afin de limiter leur impact sur la surface du convertisseur. Ce travail fournit un objet contenant un convertisseur de type Buck à une phase, avec la puce active retournée (« flip-chip ») sur l’interposeur capacitif, sur lequel une inductance est rapportée. Le démonstrateur une phase est compatible pour une démonstration à phases couplées. Les configurations standard et cascode sont comparées expérimentalement aux fréquences de 100 MHz et 200 MHz. La conception de la puce active est l’élément central de ce travail, l’interposeur capacitif étant fabriqué par IPDiA et les inductances par Tyndall National Institute. L’assemblage des différents sous-éléments est réalisé via des procédés industriels. Un important ensemble de mesures ont été réalisées, montrant les performances du convertisseur DC-DC délivré, ainsi que ses limitations. Un rendement pic de 91,5 % à la fréquence de 100 MHz a été démontré. / Ultimate integration of power switch-mode converter relies on two research paths. One path experiments the development of switched-capacitor converters. This approach fits silicon integration but is still limited in term of power density. Inductive DC-DC architectures of converters suffer by the values and size of passive components. This limitation is addressed with an increase in frequency. Increase in switching losses in switches leads to consider advanced technological nodes. Consequently, the capability with respect to input voltage is then limited. Handling 3.3 V input voltage to deliver an output voltage in the range 0.6 V to 1.2 V appears a challenging specification for an inductive buck converter if the smallest footprint is targeted at +90 % efficiency. Smallest footprint is approached through a 3D assembly of passive components to the active silicon die. High switching frequency is also considered to shrink the values of passive components as much as possible. In the context of on-chip power supply, the silicon technology is dictated by the digital functions. Complementary Metal-Oxide- Semiconductor (CMOS) bulk C40 is selected as a study case for 3.3 V input voltage. 3.3 V Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) features poor figure of merits and 1.2 V standard core, regular devices are preferred. Moreover future integration as an on-chip power supply is more compatible. A three-MOSFET cascode arrangement is experimented and confronted experimentally to a standard buck arrangement in the same technology. The coupled-phase architecture enables to reduce the switching frequency to half the operating frequency of the passive devices. +100MHz is selected for operation of passive devices. CMOS bulk C40 offers Metal-Oxide-Metal (MOM) and MOS capacitors, in density too low to address the decoupling requirements. Capacitors have to be added externally to the silicon die but in a tight combination. Trench-cap technology is selected and capacitors are fabricated on a separate die that will act as an interposer to receive the silicon die as well as the inductors. The work delivers an object containing a one-phase buck converter with the silicon die flip-chipped on a capacitor interposer where a tiny inductor die is reported. The one-phase demonstrator is suitable for coupled-phase demonstration. Standard and cascode configurations are experimentally compared at 100 MHz and 200 MHz switching frequency. A design methodology is presented to cover a system-to-device approach. The active silicon die is the central design part as the capacitive interposer is fabricated by IPDiA and inductors are provided by Tyndall National Institute. The assembly of the converter sub-parts is achieved using an industrial process. The work details a large set of measurements to show the performances of the delivered DC/DC converters as well as its limitations. A 91.5% peak efficiency at 100MHz switching frequency has been demonstrated.

La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour pallier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées.Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement / The main technological revolution of the new aircrafts is based on intensive electrification of many components of the aircraft. Moreover, the speed of electrical generators is no longer fixed but variable. This new way of generating electrical power generates voltage variations on DC networks. Besides, to increase the compactness of the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) at a given power, their mechanical speed is increased as much as possible by combining them with mechanical reducers for certain applications. The variation of the voltage level of the DC bus supplying a high-speed PMSM implies its sizing in order to ensure its controllability over the entire speed range which carries significant stresses on the Voltage Source Inverter (VSI). To solve this problem, one solution consists in adding an extra DC / DC converter between the input filter and the VSI to maintain the inverter input voltage at a value adapted to the operating point of the PMSM and to optimize its dimensioning. However, this solution increases the order of the system, which increases the complexity of its control, accentuated by the constraints related to the high-frequency nature of the PMSMs considered. The work carried out in this thesis concerns the study, the optimization and the control of the power supply architecture of the high-speed actuators connected to variable-voltage avionic DC networks. As a result, for the avionics applications considered, these power supply architectures integrating an additional DC / DC converter make it possible to reduce the mass and the volume of the power supply structure without degrading the overall efficiency of the conversion chain, in particular by using the impedance-source converters which allow to cancel the DC input current ripples. In addition, Pulse Amplitude Modulation (PAM) control strategies used with non-linear control architectures (flatness, passivity) make it possible to control these high-speed PMSMs while ensuring their stability over the entire operating range

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.

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.

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.