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https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/33042
Tipo: | Dissertação |
Título: | Digitally driven control for inductive buck converters in portable battery-powered applications |
Autor(es): | Mendes, Rodrigo Pedroso |
Primeiro Orientador: | Souza, Antônio Augusto Lisboa de |
Primeiro Coorientador: | Souto, Cicero da Rocha |
Resumo: | Neste trabalho, é apresentado um sistema de controle acionado digitalmente para um conversor indutivo abaixador integrado de frequência fixa. Uma revisão abrangente da modelagem de pequenos sinais e da compensação é incluída, utilizando um controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) digital padrão. Para viabilizar esse controle, focou-se na otimização do Conversor Analógico para Digital (ADC) e do Modulador de Largura de Pulso Digital (DPWM) para a aplicação pretendida. A nova arquitetura do ADC alcança um tamanho de passo típico de 2,136 mV, uma corrente quiescente de 15,5 µA e uma área estimada de 0,0088 mm2. O DPWM proposto incorpora um mecanismo de avanço da tensão de entrada para melhorar a regulação de linha e inclui uma matriz de capacitores com código termométrico para melhorar a Não Linearidade Diferencial (DNL). A corrente de quiescente típica do DPWM é de 35,1 µA, com uma área estimada de 0,0439 mm2. Foi dedicada atenção especial para garantir a robustez do ADC e do DPWM contra variações de descasamento, processo, temperatura e tensão de alimentação. A arquitetura de controle proposta pode ser aplicada na implementação de conversores CC-CC para aplicações portáteis alimentadas por uma bateria de íon de lítio (2,7 V a 4,2 V) ou, durante o carregamento da bateria, via uma porta USB (4,7 V a 5,5 V). A corrente de carga pode variar de 0 a 200 mA, a frequência de comutação é de 2 MHz, e a tensão de saída está alinhada com os transistores nativos disponíveis na tecnologia CMOS de 180 nm que foi adotada (1,62 V a 1,98 V). |
Abstract: | In this work, a digitally driven control system for an integrated fixed-frequency inductive buck converter is presented. A comprehensive review of small signal modeling and compensation is included, with a digital control based on a standard Proportional Integral Derivative (PID) controller. To enable this control, focus was given on optimizing the Analog to Digital Converter (ADC) and the Digital Pulse Width Modulator (DPWM) for the intended application. The novel ADC architecture achieves a typical step size of 2.136 mV, a quiescent current of 15.5 µA and an estimated area of 0.0088 mm2. The proposed DPWM incorporates a feed-forward of the input voltage to boost line regulation and includes a thermometer encoded capacitor array to improve Differential Nonlinearity (DNL). The typical quiescent current of the DPWM is 35.1 µA with an estimated area of 0.0439 mm2. Special care was taken to ensure the robustness of the ADC and DPWM against mismatch, process, temperature, and supply voltage variations. The proposed control architecture can be applied to implement DC-DC converters for portable applications, powered either by a Lithium-Ion battery (2.7 V to 4.2 V) or, during the charging of the battery, via a USB port (4.7 V to 5.5 V). The load current may vary from 0 to 200 mA, the switching frequency is 2 MHz, and the output voltage aligns with the range of the native transistors available in the CMOS 180 nm technology adopted (1.62 V to 1.98 V). |
Palavras-chave: | Engenharia elétrica Conversor CC-CC Controle digital Indutivo Abaixador de tensão Conversor DPWM Conversor ADC com janela DC-DC Converter Digital control Inductive Step-down Digital pulse width modulation Window analog to digital converter Buck |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal da Paraíba |
Sigla da Instituição: | UFPB |
Departamento: | Engenharia Elétrica |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
URI: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/33042 |
Data do documento: | 27-Jul-2024 |
Aparece nas coleções: | Centro de Energias Alternativas e Renováveis (CEAR) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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RodrigoPedrosoMendes_Dissert.pdf | 8,4 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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