High performance digital controller for high-frequency low-power integrated DC/DC SMPS

par Shuibao Guo

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Bruno Allard et de Xuefang Lin-Shi.

  • Titre traduit

    = Contrôleur numérique à haute performance pour convertisseur de tension continue à haute fréquence de découpage


  • Résumé

    Bien qu'un sujet de recherché important, le contrôle numérique n'a pas encore été appliqué en pratique aux convertisseurs de tension à découpage basse-puissance. Les appareils portables sont encore conçus avec des convertisseurs de tension à boucle de contrôle analogique. Ceci est dû à la complexité de l'implémentation d'un contrôleur numérique, aux contraintes de coût et l'absente d'architecture de contrôleur ayant prouvé leur efficacité pour de hautes fréquences de découpage. Les compromis entre performances, consommation, coût silicium limitent encore le développement des contrôleurs numériques. Les outils de développement efficaces existent pour concevoir des structures de contrôle numérique dans le contexte de la haute intégration (VLSI), dont des ASICs et des FPGAs. Il est plus commode d'aborder la conception de boucles de contrôles numériques dans l'environnement des régulateurs de tension à découpage pour les circuits intégrés sur batterie. Les travaux dans ce contexte sont généralisables à celui des FPGAs et à plus large échelle à des dispositifs de conversion d'énergie continue de plus forte puissance. L'objet des travaux de thèse concerne l'exploitation de diverses architectures des blocs constituants un contrôleur numérique : les lois de commande et la traduction en largeur d'impulsion des décisions en temps-réel du contrôleur (Digital pulse-width modulation). Par ailleurs, faute d'un accès matériel suffisant à une vérification expérimentale sous la forme d'ASICs, les résultats concernent en premier lieu la méthodologie de développement et la vérification couvre un grand nombre de besoins industriels et prépare la perspective de travaux dans un contexte d'intégration ultime basse puissance.


  • Résumé

    Despite being a popular research topic, digital control is still seldom applied in practical low-power high-frequency integrated SMPS converters. Phones, PDAs and music/video players are still mainly designed with analog PWM control inside the voltage regulator blocks. This is mainly due to the apparent complexity of implementation, cost constraint and absence of digital controller architectures that can support operation at switching frequencies significantly higher than 1MHz with low-power consumption features. Broader acceptance of digital techniques in low-power high-frequency SMPS is still hampered by practical problems of the combination of cost issues, trade-off performances and power consumption. However, with the rapid development of Very Large-Scale Integration (VLSI) technologies and CMOS manufacturing technique, and associated with their design tools in the last decade, it is now very possible to realize the high performance digital control in power electronics system by high-speed low-power digital devices (FPGA, ASIC, etc). With these advantages, the implementation of digital controller has become more feasible for low-power high-frequency SMPS design in portable electronics applications. The research interest of the thesis is to explore practical ways of incorporating advantages of digital control in practical implementation, investigates issues of digital controller implementation at lower power levels, gives detailed guidelines for digital controller design and hardware selection, and proposes new hardware solutions for the main functional digital controller blocks. Two main objectives of this work focus the implementation of high-resolution high-frequency digital PWM (DPWM) and high-performance digital control algorithms for SMPS in FPGA-based realization

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Informations

  • Détails : 1 vol. (VII-136-XXIII p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-[134]

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3522)
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