طراحي كنترل كننده مبدل نقطه بار مجتمع با كليدزني نرم در شرايط مرزي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

امروزه وسايل الكترونيكي كاربردهاي بي‌شماري در زندگي روزمره پيدا كرده‌اند و جنبه‌هاي مختلفي از زندگي بشر وابسته به اين ابزارهاست. فناوري‌هاي نوظهور مانند دستگاه‌هاي الكترونيكي قابل حمل، ابزارك‌هاي پوشيدني، ابزارهاي كاشتني زيست‌پزشكي و تجهيزات اينترنت اشيا مي‌توانند كيفيت زندگي را به مراتب بهبود بخشند. در اين گونه وسايل، انرژي ورودي معمولاً از طريق يك باتري كه امروزه بيشتر آن‌ها از نوع باتري ليتيومي هستند، تامين مي‌شود. يك وسيله قابل حمل در بر گيرنده مدارهاي مختلفي نظير پردازنده‌ها، حافظه‌ها، گيرنده‌ها و فرستنده‌هاي راديويي و مدارهاي كنترل است كه هر يك، سطح ولتاژ و جريان تغذيه مخصوص به خود را نياز دارند و وظيفه تامين آن بر عهده مدار مديريت توان است. با پيشرفت فناوري ساخت مدارهاي مجتمع نيمه‌هادي، امروزه اكثر قريب به اتفاق اين مدارها به‌صورت مجتمع در يك تراشه و با ولتاژ تغذيه و توان مصرفي پايين ساخته مي‌شوند، به گونه‌اي كه معمولاً ولتاژ تغذيه كمتر از 1 ولت است. علي‌رغم پيشرفت‌هاي قابل توجه در توسعه فناوري باتري با هزينه پايين و چگالي توان بالا، به دليل بزرگ‌تر بودن حجم باتري‌ها نسبت به مدارهاي مجتمع و محدود بودن بازه ولتاژ آن‌ها، وجود يك مدار مجتمع مديريت توان براي تامين تغذيه مدارهاي مختلف در يك وسيله قابل حمل، امري اجتناب ناپذير است. ويژگي‌هاي كليدي اين مدار مديريت توان شامل بازده و چگالي توان بالا، نسبت تبديل ولتاژ بزرگ، قابليت تنظيم پيوسته ولتاژ خروجي در يك گستره وسيع و پاسخ گذراي سريع است. بازده بالاي مدار مديريت توان موجب كاهش حرارت توليدي در تراشه و افزايش زمان شارژدهي باتري مي‌شود. به دليل كاهش مستمر ابعاد مدارهاي مجتمع، كاهش ابعاد مبدل‌هاي توان متناسب با ساير مدارها و به بيان ديگر افزايش چگالي توان از اهميت بالايي برخوردار است. هدف اين پايان‌نامه، پياده‌سازي يك مبدل كاهنده با ويژگي‌هاي مورد اشاره به‌صورت مدار مجتمع است. بهترين راه براي ساخت چنين مبدلي، استفاده از يك ساختار كليد-خازني هيبريدي است كه مزاياي مناسبي نظير كاهش تنش ولتاژ كليدها، كاهش اندازه قطعات غيرفعال، امكان تنظيم پيوسته ولتاژ خروجي در گستره وسيع بدون نياز به ضريب وظيفه كوچك را به همراه دارد. در اين نوع مبدل با افزايش فركانس كليدزني مي‌توان حجم قطعات غيرفعال را به مقدار بيشتري كاهش داد، اما اين كار منجر به افزايش تلفات كليدزني مي‌شود. براي حل اين چالش نيز مي‌توان از شگردهاي كليدزني نرم استفاده نمود. چالش اصلي مبدل‌هاي هيبريدي، عدم تعادل ولتاژ خازن‌هاي شناور به دليل اضافه شدن سلف در مسير حلقه‌هاي خازني است. در اين پايان‌نامه از يك ساختار هيبريدي ديكسون متقارن دو طبقه استفاده شده كه در آن خازن‌هاي شناور داراي تعادل ولتاژ ذاتي هستند. هم‌چنين با پيشنهاد پالس‌هاي كنترل جديد براي كليدها، قابليت كليدزني نرم در ولتاژ صفر در شرايط مرزي به آن اضافه شده و با افزايش فركانس كليدزني، حجم قطعات غيرفعال آن به‌طور قابل توجهي كاهش يافته است. مبدل هيبريدي ديكسون با روش كنترل پيشنهادي در اين پايان‌نامه، در فناوري ساخت CMOS 180nm پياده‌سازي شده و در محدوده ولتاژ ورودي 3/3 تا 4/2 ولت با فركانس كليدزني 5 مگاهرتز، ولتاژ خروجي 0/3 تا 1 ولت، حداكثر توان خروجي 1 وات و بيشينه بازده 91/4 درصد در نسبت تبديل ولتاژ 5/6 براي آن به دست آمده است.

233210

مدارهاي مجتمع الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان