Cette thèse a pour objectif de fournir aux utilisateurs de SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) une méthodologie pour calculer les incertitudes associées à l’estimation de la granulométrie en nombre des aérosols. Le résultat de mesure est le comptage des particules de l’aérosol en fonction du temps. Estimer la granulométrie en nombre de l’aérosol à partir des mesures CNC revient à considérer un problème inverse sous incertitudes.Une revue des modèles existants est présentée dans le premier chapitre. Le modèle physique retenu fait consensus dans le domaine d’application.Dans le deuxième chapitre, un critère pour l’estimation de la granulométrie en nombre qui couple les techniques de régularisation et de la décomposition sur une base d’ondelettes est décrit.La nouveauté des travaux présentés réside dans l’estimation de granulométries présentant à la fois des variations lentes et des variations rapides. L’approche multi-échelle que nous proposons pour la définition du nouveau critère de régularisation permet d’ajuster les poids de la régularisation sur chaque échelle du signal. La méthode est alors comparée avec la régularisation classique. Les résultats montrent que les estimations proposées par la nouvelle méthode sont meilleures (au sens du MSE) que les estimations classiques.Le dernier chapitre de cette thèse traite de la propagation de l’incertitude à travers le modèle d’inversiondes données. C’est une première dans le domaine d’application car aucune incertitude n’est associée actuellement au résultat de mesure. Contrairement à l’approche classique qui utilise un modèle fixe pour l’inversion en faisant porter l’incertitude sur les entrées, nous proposons d’utiliser un modèle d’inversion aléatoire (tirage Monte-Carlo) afin d’intégrer les erreurs de modèle. Une estimation moyenne de la granulométrie en nombre de l’aérosol et une incertitude associée sous forme d’une région de confiance à 95 % est finalement présentée sur quelques mesures réelles. / This thesis aims to provide SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) users with a methodology to compute the uncertainties associated with the estimation of aerosol size distributions. Recovering aerosol size distribution yields to consider an inverse problem under uncertainty.The first chapter of his thesis presents a review of physical models and it shows that competitive theories exist to model the physic.A new criterion that couples regularization techniques and decomposition on a wavelet basis is described in chapter 2 to perform the estimation of the size distribution.Main improvement of this work is brought when size distributions to be estimated show both broad and sharp profiles. The multi-scale approach helps to adjust the weights of the regularization on each scale of the signal. The method is then tested against common regularization and shows better estimates (in terms of the mean square error).Last chapter of this thesis deals with the propagation of the uncertainty through the data inversion process.Results from SMPS measurements are not given with any uncertainty at this time so providing end-users with an uncertainty is already a real improvement. Common approach is to consider a fixed physical model and to model the inputs (particle count) as random. We choose to consider both the physical model as well as the inputs as random to account for the model error. The result is expressed as a mean estimate of the size distribution with a 95% coverage region. The all methodology is finally tested on real measurements.

Functional electrical stimulation (FES) devices have direct applications in the realm of rehabilitation engineering, physiotherapy, occupational therapy and medicine for research, diagnostic and therapeutic purposes. This thesis presents a novel electrical stimulator for use in a FES system. The stimulator produces regulated current pulses using two switched mode power supplies (SMPS) in series. The first power stage - a flyback converter - steps up the supply voltage using primary side digital control. The second power stage is a buck converter with output current hysteretic control. An output switched capacitor circuit shapes the current pulses. All pulse variables are programmable and various pulses can be formed for virtually any FES application. Compared to previous FES devices, the pulses generated here are sharper, have faster rise time and the amplitude and temporal characteristics are more tightly regulated. A single channel prototype system is implemented and experimental results are shown.

Functional electrical stimulation (FES) devices have direct applications in the realm of rehabilitation engineering, physiotherapy, occupational therapy and medicine for research, diagnostic and therapeutic purposes. This thesis presents a novel electrical stimulator for use in a FES system. The stimulator produces regulated current pulses using two switched mode power supplies (SMPS) in series. The first power stage - a flyback converter - steps up the supply voltage using primary side digital control. The second power stage is a buck converter with output current hysteretic control. An output switched capacitor circuit shapes the current pulses. All pulse variables are programmable and various pulses can be formed for virtually any FES application. Compared to previous FES devices, the pulses generated here are sharper, have faster rise time and the amplitude and temporal characteristics are more tightly regulated. A single channel prototype system is implemented and experimental results are shown.

The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

In the current and next generation automotive telematic platforms, high demands are put on high efficiency power supplies. This thesis investigates different switch mode power converter solutions that operates with high efficiency for both low and high power loads. A market survey was conducted alongside meetings with ACTIA Nordic and their subcontractors. Three solutions from the market survey were selected for further investigation. One solution from the investigation was selected and implemented as a demonstration platform for further testing. The result shows a full test sequence for the designed power supply solution.

This thesis deals with a design, construciton and testing of a switch-mode power supply (SMPS) which is working as a LiFEPO4 battery charger with output current up to 100~A and output voltage up to 14,6~V. The output voltage and current can be regulated by the operator from zero to maximum value. For this SMPS Half-bridge asymmetrical forward converter with two transformers and common output inductor topology is chosen. The control circuits are run by the IC SG3525. Cascaded regulation of output voltage and current is implemented by two discrete operational amplifiers. Undervoltage protection of the control circuits and independent overcurrent protection on the primary side is also implemented.

ABSTRACT Bridgeless Active Power Factor Correction Using a Current Fed Push Pull Converter Jeramie Seth Bianchi Switched Mode Power Supplies have become increasingly popular for efficient methods of delivering power to an assortment of electronic devices. This thesis proposes a method of using a current fed push pull converter to provide active power factor correction and rectification in a single stage. While most AC-DC converters utilize a bridge rectifier to convert AC-DC and then perform DC-DC conversion, the proposed circuit will utilize its output diodes to perform rectification, thus eliminating the need for a bridge rectifier. This circuit will also inherently provide power factor correction because the input current has a continuous path for current flow due to the current fed topology where no time exists for both switches to be off. Through analog circuitry for the controller, multiple methods of AC main switching are tested, including isolation techniques using optocouplers, to prove the most efficient way to control a bidirectional switch. Simulations with PSPICE and hardware implementation of the design prove that alternative methods to provide quality power conversion for Switched Mode Power Supplies are available. Keywords: Active Power Factor Correction, Current Fed Push Pull Converter, SMPS, Bidirectional Switching, IGBT, Bridgeless Rectification

Cette thèse a pour objectif de fournir aux utilisateurs de SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) une méthodologie pour calculer les incertitudes associées à l'estimation de la granulométrie en nombre des aérosols. Le résultat de mesure est le comptage des particules de l'aérosol en fonction du temps. Estimer la granulométrie en nombre de l'aérosol à partir des mesures CNC revient à considérer un problème inverse sous incertitudes.Une revue des modèles existants est présentée dans le premier chapitre. Le modèle physique retenu fait consensus dans le domaine d'application.Dans le deuxième chapitre, un critère pour l'estimation de la granulométrie en nombre qui couple les techniques de régularisation et de la décomposition sur une base d'ondelettes est décrit.La nouveauté des travaux présentés réside dans l'estimation de granulométries présentant à la fois des variations lentes et des variations rapides. L'approche multi-échelle que nous proposons pour la définition du nouveau critère de régularisation permet d'ajuster les poids de la régularisation sur chaque échelle du signal. La méthode est alors comparée avec la régularisation classique. Les résultats montrent que les estimations proposées par la nouvelle méthode sont meilleures (au sens du MSE) que les estimations classiques.Le dernier chapitre de cette thèse traite de la propagation de l'incertitude à travers le modèle d'inversiondes données. C'est une première dans le domaine d'application car aucune incertitude n'est associée actuellement au résultat de mesure. Contrairement à l'approche classique qui utilise un modèle fixe pour l'inversion en faisant porter l'incertitude sur les entrées, nous proposons d'utiliser un modèle d'inversion aléatoire (tirage Monte-Carlo) afin d'intégrer les erreurs de modèle. Une estimation moyenne de la granulométrie en nombre de l'aérosol et une incertitude associée sous forme d'une région de confiance à 95 % est finalement présentée sur quelques mesures réelles.

Un facteur clé des systèmes portables, tels que les téléphones mobiles, est l'autonomie de la batterie qui dépend essentiellement de la source d'énergie, mais aussi de la façon dont sont gérés la tension et le courant qu'elle délivre, facteurs relatifs au régulateur et à son rendement. Les autres critères sont bien sûr la compacité et le coût, d'où la nécessité d'intégrer ces régulateurs de tension. Le premier chapitre présente brièvement trois types de régulateurs, ainsi que les contraintes imposées par les composants externes et la technologie de fabrication. Après avoir expliqué l'utilité de passer à une réalisation en technologie CMOS, le deuxième chapitre décrit le schéma final d'un régulateur linéaire (LDO, Low Drop-out), puis détaille sa stabilité et sa protection contre les courts-circuits. Pour cela, nous expliquons dans les deux cas la méthode habituellement utilisée, nous montrons ses limites dans le cadre de notre application, puis nous développons la solution adoptée qui consiste en une compensation Miller s'adaptant au courant de sortie pour sa stabilité et en un asservissement du courant de sortie plus performant pour limiter le courant de court-circuit. Des mesures sur silicium ont permis de valider les simulations effectuées lors de cette conception. Les alimentations à découpage sont une alternative à ces régulateurs linéaires, et procurent la possibilité d'élever la tension de batterie, mais nécessitent des éléments inductifs difficilement intégrables. Une étude de comportement statique permet de déterminer les pertes et le rendement de la structure choisie pour répondre à notre cahier des charges. L'analyse de sa stabilité par sa fonction de transfert complète ce chapitre. Les systèmes à pompe de charges sont abordés de façon succincte. Egalement basés sur le principe du découpage, ils sont un compromis entre les deux précédents principes et permettent, moyennant des pertes supplémentaires, d'éviter l'utilisation des composants inductifs.