طراحي مبدل‌هاي كليد-خازني تركيبي مجتمع با در‌نظرگرفتن مشخصه‌‌هاي مساحت و بازده

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

در كاربرد‌هاي جديد قابل حمل كه با باتري كار مي‌كنند، تراشه‌هاي مديريت ‌توان براي تامين سطوح مختلف ولتاژ از انواع مبدل‌‌هاي dc-dc استفاده مي‌كنند. وظيفه اين مبدل‌ها تبديل سطح ولتاژ ورودي به سطوح ولتاژ كوچك مورد نياز براي بخش‌هاي مختلف مي‌باشد. در ميان مبدل‌هاي dc-dc براي كاربردهاي توان پايين، مبدل كليد-خازني تركيبي داراي جايگاه ويژه‌اي مي‌باشد، زيرا از خازن با چگالي ‌انرژي بيشتر نسبت به سلف استفاده مي‌كند و در ‌نتيجه نسبت به مبدل‌هاي مغناطيسي مانند باك با سلف حجيم، چگالي ‌توان بالاتري دارد. همچنين برخلاف مبدل‌هاي كليد خازني معمولي، از سلف براي حذف تلفات اشتراك شارژ خازن‌ها استفاده مي‌كند، در ‌نتيجه بازده ‌انرژي بهتري دارد. كوچك‌سازي مدارهاي مديريت توان با محدوديت مواجه است، زيرا عناصر غيرفعال آن‌ها تابع خواص فيزيكي بوده و دستيابي همزمان به بازده بالا و چگالي توان مناسب، به توازن بين تلفات و اندازه اجزاي غيرفعال بستگي دارد. در اين پايان ‌نامه، طراحي، تحليل و بهينه‌سازي مبدل‌هاي كليد-خازني تركيبي مستقيم با تمركز بر ساختارهاي چندسطحي و قابل مجتمع‌سازي در حالت كليدزني تحت جريان تقريبا صفر (ZCS) مورد بررسي قرار گرفته است. ابتدا، مبدل كليد-خازني تركيبي با نسبت تبديل 1:2 معرفي شده و عناصر كليدي آن به‌صورت تحليلي در فناوري 180 نانومتر TSMC مدل‌سازي شده‌اند. خازن‌هاي نوع فلز-عايق-فلز (MIM) با چيدمان مربعي از نظر ظرفيت و مساحت مدل‌سازي شده‌اند. همچنين، اندوكتانس سلف مجتمع مسطح مربعي با استفاده از يك مدل چندجمله‌اي تواني، حاصل از برازش داده‌هاي چندين نمونه در نرم افزار ADS، مدل‌سازي شده و مدل تحليلي لازم براي محاسبه تلفات و مساحت آن نيز ارائه شده است. ترانزيستور NMOS با درنظر گرفتن مقاومت حالت روشن و خازن‌هاي ذاتي مدل‌سازي شده و بر اين اساس، انواع تلفات ترانزيستور به‌صورت تحليلي استخراج و مدل‌سازي شده‌اند. در ادامه، روابط تحليلي حاكم بر عملكرد مبدل كليد-خازني تركيبي 1:2 استخراج شده و شروط لازم براي عملكرد صحيح مدار رزونانس سري، از جمله حداقل ضريب كيفيت مورد نياز براي سلف مجتمع و نسبت مقاومت بار به مقاومت‌هاي سري مسير رزونانس، ارائه شده است. در نهايت، بر پايه مدل‌سازي قطعات غيرفعال، ترانزيستورها و روابط تحليلي استخراج‌ شده از مبدل، يك مدل تحليلي جامع براي ارزيابي عملكرد مبدل از نظر مساحت روي تراشه و تلفات كل ارائه شده و اعتبار نتايج تحليلي از طريق شبيه‌سازي در نرم افزار Cadence مورد ارزيابي و تاييد قرار گرفته است. در ادامه، ساختار پايه مبدل كليد-خازني تركيبي با نسبت تبديل ولتاژ 1:2 به ساختار كلي‌تر 1:N تعميم داده شده است. براي اين ساختار، روابط طراحي، مدل تحليلي تلفات و شرايط عملكرد بهينه استخراج شده و اعتبار آن‌ها از طريق شبيه‌سازي مورد ارزيابي قرار گرفته است. در نهايت، تحليل به ساختار با نسبت تبديل M:N گسترش يافته و عملكرد آن از نظر بازده و رفتار مدل تحليلي با ساختار 1:N مقايسه شده است. با توجه به چالش دستيابي همزمان به حداقل تلفات مبدل (حداكثر بازده) و حداقل‌ مساحت عناصر غيرفعال، مسئله طراحي به‌صورت يك مسئله بهينه‌سازي چندهدفه فرمول‌بندي شده است. در اين راستا، الگوريتمي مبتني بر جبهه پارتو براي مبدل كليد-خازني تركيبي رزونانسي مستقيم با نسبت تبديل M:N ارائه شد كه با درنظر گرفتن حدود هندسي، شرايط طراحي مبدل، شروط لازم براي عملكرد صحيح مدار رزونانس سري، رعايت محدوديت‌هاي مربوط به فناوري ساخت 180 نانومتر و حداقل‌سازي مجموع تلفات ترانزيستورها، مجموعه‌اي از طرح‌هاي بهينه از نظر مساحت كل و تلفات كل شامل پارامترهاي هندسي سلف مجتمع، خازن‌هاي شناور و عرض موثر ترانزيستور را استخراج مي‌كند. از ميان اين طرح‌ها، طرحي با بهترين توازن ميان، مساحت تراشه و تلفات كل (بازده) انتخاب مي‌شود. در ادامه، الگوريتمي ديگر مبتني بر الگوريتم پيشنهادي ارائه مي‌شود كه با درنظرگرفتن فركانس كليدزني به‌عنوان يك متغير آزاد طراحي، فركانس بهينه را از نظر مساحت تراشه و تلفات كل مبدل تعيين مي‌كند. در نهايت، مقايسه‌اي ميان نتايج حاصل از الگوريتم پيشنهادي و مبدل‌هاي مجتمع گزارش‌شده در مقاله‌هاي پيشين براي بررسي بهبود طراحي ارائه شده است.

237329

مدارهاي مجتمع الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان