En los últimos años dispositivos móviles y sistemas de cómputo han logrado
disminuir sus tamaños y aumentar su funcionalidad sin sacrificar sus consumos
energéticos a través de buenas estrategias de administración de energía. En esta
tesis se aborda la implementación de convertidores de potencia para administración
de energía. Dos líneas de investigación serán abordadas; la primera a nivel de sistemas
empaquetados (system in a package) y la segunda en sistemas en circuitos
integrados (system on chip). En la primera parte se presenta un análisis de la técnica
de desvío de ondulación (ripple steering) aplicada a tecnologías de cerámicas de baja
temperatura de sinterizado (low temperature co-fired ceramics, LTCC) magnético y
se analiza la factibilidad de usarla en filtros de potencia. Luego se determina la zona
de trabajo en la que el filtro con ripple steering presenta mayor atenuación que un
filtro LC de 2do orden con el mismo volumen. Para esto se modela el comportamiento
del filtro dependiendo de diferentes parámetros de fabricación y se propone
una figura de mérito que evalúa la mejora en la atenuación entre el fltro con ripple
steering y el filtro clásico LC de 2do orden con el mismo volumen.
Para validar el modelo propuesto y la figura de mérito se construyen inductores
acoplados en LTCC que son utilizados en un filtro de potencia. Los resultados
experimentales muestran que el filtro con ripple steering se desempeña mejor, con
una atenuación 66% más alta que el filtro clásico LC de 2do orden. Ambos filtros
son luego utilizados como filtros de salida de un convertidor reductor (buck) y se
comprueba que la ondulación de salida (ripple) también es 66% menor para el filtro
con ripple steering.
En la segunda parte de la tesis se aborda el caso de estudio de un convertidor de
múltiples salidas utilizando una única inductancia (single inductor multiple outputs,
SIMO) completamente integrado, orientado a la administración de energía dentro de
la misma pastilla de silicio (die) de un sistema en circuito integrado. El convertidor
posee dos salidas, una reductora (buck) y otra elevadora (boost) de tensión.
Para llevar a cabo la implementación se elije una tecnología CMOS de 65 nm, ampliamente
utilizada en sistemas en circuitos integrados. Se propone y desarrolla una
estrategia de control por histéresis, los módulos y circuitos necesarios para su implementación. Comparadores de alta velocidad, transductores de corriente instantánea
y media y los sensores de corriente cero por la inductancia son desarrollados junto
con una máquina de estados asincrónica que ofrece las mejores características para
el control del sistema.
El convertidor desarrollado genera tensiones de 1.2 V y 0.8 V a partir de una
tensión de 1 V. Las salidas poseen una regulación del 10% en la condición de máxima
carga que es de 50 mA. El convertidor logra un pico de eficiencia mayor al 70 %,
que es comparable a la eficiencia reportada en trabajos previos y superior a la que
se puede obtener con reguladores lineales. / In recent years, mobile devices and computer systems have reduced their size and
increased functionality without increasing their energy consumption through good
energy management strategies. In this thesis the implementation of power converters
is discussed for power management. Two lines of research will be addressed; the first
in system in a package and the second in system on chip.
In the first part, an analysis of the ripple steering technique applied to magnetic
low temperature co-fired ceramics (LTCC) and the feasibility to be applied to
power filters are presented. The working zone where the filter with ripple steering
shows a greater attenuation than a LC filter of 2nd order with the same volume is
determined. With this purpose, the filter behavior is modeled depending on various
manufacturing parameters and a figure of merit which evaluates the improvement in
attenuation between the filter with ripple steering and classical LC filter 2nd order
with the same volume is proposed.
To validate the proposed model and the figure of merit LTCC coupled inductors
which are used in a power filter are constructed. Experimental results show that the
filter with ripple steering performs better than the classic LC filter 2nd order with
an attenuation 66% higher. Both filters are then used as output filters of a buck
converter and it can be checked that the output ripple is 66% lower for the filter
with ripple steering.
In the second part of the thesis the case study of a converter with multiple outputs
using a single inductor (SIMO) fully integrated, oriented power management within
the same die of a system integrated circuit. The inverter has two outputs, a buck-like
and a boost-like.
To carry out the implementation, 65 nm CMOS technology is chosen since it
is widely used in system on a chip. A hysteretic control strategy is proposed and
developed; modules and circuits necessary for its implementation are also carried on.
High speed comparators, instantaneous, average and zero inductor current transducers
and sensors are developed together with an asynchronous state machine which
offers the best features for control the system.
The developed converter generates output voltages of 1.2 V and 0.8 V from
a input voltage of 1 V. The outputs have a regulation of 10% at maximum load
condition (50 mA). The converter achieves a peak eficiency of 70 %, which is better
than the expected eficiency of a linear regulator and it is comparable with the fully
integrated power converter eficiency previously reported in the literature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/2580 |
| Date | 30 March 2015 |
| Creators | Soto, Angel José |
| Contributors | Oliva, Alejandro, Ang, Simon S. |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
Page generated in 0.0038 seconds