طراحي مبدل DC-DC چندسطحي مجتمع براي كاربردهاي متصل به باتري

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

برق

كارشناسي ارشد

يك تجهيز الكترونيكي شامل قسمت هاي مختلفي است كه هركدام نيازمند ولتاژ تغذيه مخصوص به خود هستند و تامين اين ولتاژهاي تغذيه، وظيفه مدار مديريت توان است. اگرچه تاكنون پيشرفت هاي زيادي در توسعه فناوري باتري با هزينه كم و چگالي توان بالا وجود داشته است، اما افزايش بهره وري انرژي در مدارها و سيستم هاي الكترونيكي از طريق مديريت توان ابتكاري و پربازده، هنوز هم به عنوان موثرترين و ضروري ترين روش در نظر گرفته مي شود. در طول سه دهه گذشته، فناوري مديريت توان، از اهميت بيشتري برخوردار شده است و دليل آن وسايل الكترونيكي قابل حملي هستند كه جزئي از زندگي روزمره شده اند. موبايل هاي پيشرفته، دستگاه هاي پوشيدني و اينترنت اشياء، از باتري هاي ليتيوم-يوني كه معمولا ولتاژ آنها بالاتر از 5/3 ولت مي باشد، تغذيه مي شوند. معمولا تراشه هايي كه در اين سيستم ها استفاده مي شوند، در يك تكنولوژي CMOS ساخته مي شوند كه براي تغذيه برخي از پردازنده ها يا واحدهاي حافظه، به ولتاژهاي پايين تا 3/0 ولت نياز است كه اين اختلاف ولتاژ بين تراشه و باتري، بيان كننده نياز به يك مدار مجتمع مديريت توان با نرخ كاهش بالا مي باشد. در حالت ايده آل، اين مدار بايد براي به حداكثر رساندن طول عمر باتري، كارآمد باشد و همچنين براي به حداقل رساندن حجم دستگاه، كوچك باشد. تمركز اصلي اين پايان نامه، پياده سازي يك مبدل كاهنده با بازده بالا به صورت مدار مجتمع است. يكي از چالش هاي اصلي در بحث پياده سازي و ساخت مبدل ها، انتخاب فركانس كليدزني مبدل است، چرا كه با افزايش فركانس كليدزني، اندازه المان هاي ذخيره كننده انرژي كاهش مي يابد، اما مي تواند منجر به افزايش تلفات شود. با توجه به اينكه مدار رزونانس سري قابليت ايجاد كليدزني نرم در ولتاژ صفر براي تمام كليدها در روشن و خاموش شدن را دارد، مي توان از اين مدار براي پياده سازي در مدارمجتمع استفاده نمود. چالش مهم ديگر، استرس جريان و ولتاژ كليدها، براي تبديل ولتاژ با نرخ بالا مي باشد. با توجه به محدوديت استفاده از ترانسفورمر و سلف هاي كوپل شده در مدارهاي مجتمع، مبدل هاي كليد-خازني چندسطحي معرفي شدند كه اين مبدل ها قابليت پياده سازي به صورت تمام مجتمع را دارند. در اين توپولوژي، با شكستن ولتاژ ورودي به ولتاژهاي كوچكتر به وسيله خازن هاي شناور، استرس ولتاژ ترانزيستورها كاهش مي يابد. بااين حال، چالش اصلي در اين مبدل ها، عدم تعادل ولتاژ خازن هاي شناور است كه باعث محدوديت در استفاده از آن ها مي شود. در اين پايان نامه مبدلي با تعادل ذاتي ارائه شده است كه با دستيابي به كليدزني نرم در ولتاژ صفر، مي توان آن را در فركانس هاي بالا طراحي نمود. اين امر باعث كوچك شدن حجم نهايي مبدل و درنتيجه افزايش چگالي توان، بدون افزايش تلفات كليدزني، مي شود. در نهايت، با تحليل اين مبدل با تئوري مبتني بر لاپلاس، شرايط كليدزني نرم در بهره ها و توان هاي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. مبدل پيشنهادي در اين پايان نامه، در پروسه m𝜇18.0 CMOSپياده سازي شده و در فركانس رزونانس 1 مگاهرتز، ولتاژ ورودي در محدوده 5/5 -3/4 ولت، ولتاژ خروجي در محدوده 825/0 -34/0 ولت و حداكثر توان خروجي 3 وات طراحي شده و بيشينه بازده %3/97 حاصل شده است. كلمات كليدي مديريت توان، مبدل چندسطحي ماژولار، مدارمجتمع، مبدل رزونانس سري، كليدزني نرم، سيستم روي تراشه

219014

الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان