Contribution à l'analyse de stabilité des convertisseurs à découpage monolithiques : application à la téléphonie mobile

= Contribution to the stability analysis of monolithic switch-mode power supplies : Application to mobile phone platforms

• Auteur / Autrice : Séverin Trochut
• Direction : Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique. Composants et Systèmes Electriques
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône1992-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bifurcation, Théorie de la

Régulateurs électriques

Convertisseurs électriques

Téléphonie mobile privée

Résumé

Le marché de la téléphonie mobile est toujours très actif en dépit des baisses prévues par les analystes. La guerre technologique fait rage chez les constructeurs qui n'arrêtent pas d'enrichir leur plate-forme mobile en fonctionnalités. L'alimentation électrique repose sur des batteries. Celles-ci ne sont pas capables de fournir une tension constante pendant toute la période de fonctionnement de l'appareil. Elles ne peuvent pas non plus garantir une tension constante quelque soit la charge placée à leurs bornes. Or, pour fonctionner correctement, l'électronique embarquée de précision a besoin d'une source de tension stable. L'autonomie est maintenant un facteur clef pour assurer le succès d'un téléphone auprès des consommateurs. C'est dans ce contexte dynamique que les convertisseurs à découpage ont fait leur apparition dans le monde de la téléphonie mobile. Ils doivent être stables, précis et posséder un rendement élevé. Mais c'est précisément le premier point (la stabilité) qui est très complexe à maîtriser. Cette thèse propose une contribution à l'étude de stabilité du régulateur à découpage de type abaisseur de tension. Les approches classiques basées sur les méthodes linéaires sont explorées mais très vite abandonnées. La méthode dite du premier harmonique est elle aussi rapidement abordée. L'exposé s'oriente ensuite sur les approches de type non-linéaires et les modèles hybrides. Ces dernières méthodes vont permettre de définir un critère de stabilité général, valide aussi pour les autres types de régulateurs (élévateur et abaisseur-élévateur). Le critère trouvé est ensuite éprouvé de différentes manières : simulations mathématiques de modèles dits hybrides ; simulations basées sur des modèles VHDL-AMS ; simulations électriques basées sur des modèles niveau transistors ; réalisation d'un prototype basé sur des composants discrets. Le critère est à chaque fois vérifié. Un outil exploitant ces résultats a été créé et sera bientôt inséré dans le flot de conception à STMicroelectronics. Les convertisseurs à découpage réalisés durant cette étude ont été analysés à posteriori et une très bonne concordance a été constatée entre les prédictions de l'outil et la réalité du fonctionnement.

The mobile phone market is always very active despite the slow-downs forecasted by the analysts. The technological war is on between phone constructors which do not stop to add functionalities to their platforms. Power supplies relies on batteries. But they are not able to provide a fixed voltage while the device is in use. They also can not guaranty a fixed voltage whatever is the load placed behind. But to ensure a correct behavior of embedded precision electronics, a fixed voltage source must be provided. Autonomy is now a key factor to ensure a given phone success on the market. In this dynamical context, Switch Mode Power Supplies started to appear in the world of mobile phones. They have to be stable, precise and be highly efficient. But the first point (stability) is really complex to master. This PhD thesis proposes a contribution to stability study of step-down DC/DC converters. Classical approaches based on linear methods are explored but given up. The first harmonic method is also quickly investigated to finally concentrate the effort on non-linear approaches and hybrid modeling. These last methods will allow to define a general stability criterion whose validity is also verified for other types of regulator (boost and buck-boost). The criterion is then verified against several simulations : – mathematical simulations based on hybrid models ; – VHDL-AMS based simulations ; – electrical simulations at transistor level ; – prototype based on discrete components. The criterion was each time verified. A tool exploiting those results has been created and will be integrated inside the design flow in STMicroelectronics. Switch-mode power supplies realized during this study were analyzed afterwards and a great concordance has been seen between tool predictions and real converters behaviors.