Tesis doctoral de José De Jesús Quintero Paredes
La industria de la microelectrónica ha evolucionado muy rápidamente durante los últimos años y se prevé que esta tendencia se prolongue en el futuro, traduciéndose en circuitos electrónicos cada vez más rápidos. los microprocesadores (µp) son los circuitos integrados que mejor representan esta tendencia y, de alguna manera, son los que encabezan este movimiento. Según se va incrementando la velocidad y la capacidad de procesamiento de los microprocesadores, los fabricantes se encuentran con un problema adicional: la alimentación del µp. Los requerimientos que se exigen a las fuentes de alimentación de los µps son cada vez más exigentes. La tensión de salida de estas fuentes debe ser baja y requiere de una gran calidad para el correcto funcionamiento del µp, lo cual dificulta enormemente su diseño y fabricación. el diseño de este tipo de fuentes de alimentación es cada vez más complejo y con requisitos dinámicos cada vez más elevados. Las bajas tensiones de alimentación, las altas corrientes y las altas derivadas de corriente demandadas, son los retos actuales que imponen los microprocesadores a sus fuentes de alimentación. Además, se está produciendo un incremento de consumo de potencia por unidad de área, lo que genera un problema térmico adicional. De aquí, que una adecuada gestión térmica, es otro de los retos, no menos importante, con el que se enfrentan los diseñadores. estas fuentes a su vez se alimentan de un bus de distribución. Tanto el bus de distribución como las fuentes de alimentación de los microprocesadores varían su arquitectura en dependencia del tipo de aplicación. No obstante, todas estas arquitecturas tienen como elemento en común, la posibilidad de pasar, muy rápidamente, de un estado de bajo consumo, unos cuantos amperios, a un estado de alta actividad, varias decenas de amperios (hasta 150a). Estas transiciones ocurren con derivadas de corrientes muy elevadas, que puede alcanzar los amperios por nanosegundo (aprox. 1,2a/ns). con el objetivo de garantizar la adecuada respuesta ante los transitorios de carga, se necesitan un número elevado de condensadores. Estos condensadores están distribuidos en diferentes puntos, con el objetivo de minimizar la influencia de los parásitos. por lo tanto, cualquier solución, tanto topológica como de estrategia de control, que permita disminuir el número de condensadores de salida garantizando los mismos requerimientos, implica una mejora considerable de las características de estas fuentes de alimentación, conocidas como módulos reguladores de tensión (vrm del inglés voltage regulator module). para alcanzar estos objetivos es necesario que los nuevos cambios tecnológicos estén dirigidos a investigar sobre topologías y estrategias de control avanzadas, con el objetivo de lograr un alto rendimiento, una alta densidad de potencia y rápida respuesta ante transitorios de carga, para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes. el primer objetivo de este trabajo está centrado, en mejorar la respuesta dinámica de los vrm multifase para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes de salida con altas derivadas de la corriente de carga, aplicando la estrategia de control conocida como control lineal no lineal (lnl). Por otra parte, se hace un análisis riguroso del control lnl y se estudia su comportamiento aplicado a los vrm. Como resultado, se destacan las ventajas que aporta esta estrategia de control respecto a la estrategia de control lineal, destacando la capacidad del control lnl de mejorar, significativamente, tanto las características dinámicas del vrm como su estabilidad ante perturbaciones de la carga. como segundo objetivo se establece, el diseño de un convertidor vrm multifase reconfigurable con control analógico/digital mixto, en el que se pueda implementar tanto un control lineal como un control lnl, que permita validar experimentalmente los resultados teóricos obtenidos durante el estudio de las diferentes configuraciones topológicas analizadas. un tercer objetivo se centra en el diseño de un convertidor vrm multifase con control totalmente digital, con el fin de contrastar las ventajas e inconvenientes del control lnl sobre una plataforma versátil basada en una fpga (del inglés field programmable gate array). además de resolver todas las particularidades resultantes de la adaptación del control lnl analógico a su implementación mixta o totalmente digital, como último objetivo se pretende establecer el procedimiento y los parámetros de diseño que optimizarían la implementación del control lnl en convertidores vrm multifases. la tesis de doctoral está compuesta por nueve capítulos. A continuación, se realiza una breve descripción de cada uno de ellos. capítulo 1. Introducción. En este capítulo se analizan las principales tendencias y retos técnicos para el diseño de las fuentes destinadas a la alimentación de los microprocesadores. Se describen las principales líneas de investigación y los esfuerzos tecnológicos que pretenden mejorar las características de las fuentes de baja tensión. capítulo 2. Estado de la técnica. En este capítulo se hace un análisis de los trabajos relacionados con el tema de la tesis, señalando las principales líneas de investigación dentro de los convertidores reductores vrm, para diferentes aplicaciones. Se exponen las ventajas e inconvenientes de cada una de las arquitecturas de distribución, utilizadas para la alimentación de los sistemas con microprocesadores. Por otra parte, se analizan los factores que influyen sobre la respuesta dinámica del convertidor, desde el punto de vista de la estrategia de control y de la selección adecuada de la topología. desde el punto de vista del control, la mejor respuesta, ante los transitorios de carga, la presentan aquellas estrategias de control que basan su funcionamiento en la saturación del ciclo de trabajo y que a su vez garantizan las especificaciones dinámicas y de estabilidad del convertidor. La estrategia de control que combina ambas características es el control lineal no lineal (lnl). Desde el punto de vista de la topología, los convertidores vrm multifases con entrelazado son los que se presentan como la mejor opción para aplicaciones de baja tensión. capítulo 3. Caracterización y análisis de los vrm. En este capítulo se hace una introducción a los vrm, destacando las principales características y requisitos que deben cumplir este tipo de fuentes de alimentación. Además, se hace hincapié en la influencia de cada uno de los parámetros de diseño, tanto sobre el rendimiento del convertidor como en su respuesta dinámica. También, se detallan otras características de los vrm para aplicaciones más específicas. capítulo 4. Convertidor reductor con control lineal no lineal. En este capítulo se describen las principales características y principio de funcionamiento del control lnl aplicado a los vrm. Este control permite combinar varios factores, la sencillez de un control lineal lento en modo tensión, los cuales son precisos y tienen un bajo rizado de la tensión de salida, que garantiza la respuesta del convertidor en régimen permanente; con un control no lineal rápido, que garantiza la respuesta del convertidor ante los transitorios de carga. Además, se definen los métodos más utilizados en la generación del desfase entre cada una de las fases del vrm, y su influencia en el funcionamiento del convertidor. capítulo 5. Valoración cuantitativa del control lnl. En este capítulo se realiza un estudio comparativo entre un conjunto de vrm, diseñados para cumplir las mismas especificaciones, en los que se combinan los principales parámetros de diseño: inductancia por fase, condensador de salida, frecuencia de conmutación, número de fases y tipo de control. El estudio muestra la influencia del control lnl en la integración del convertidor. Para ello, se compararán el área y el volumen de todos los diseños propuestos, que permitirá extractar las principales conclusiones de estudio cualitativo planteado. capítulo 6. Vrm con control lnl mixto analógico/digital. En este capítulo se hace una introducción al control mixto, definiendo las particularidades de cada uno de los bloques que lo forman. Se profundiza en la implementación tanto del bloque analógico como del bloque digital, presentes en el control mixto, aplicado a vrm multifase. Se detallan las particularidades del control lineal mixto y del control lnl mixto. Finalmente, se presenta una validación experimental de la técnica, mediante su implementación en una fpga, plataforma que permite una gran flexibilidad y posibilita una fácil y rápida configuración del convertidor. capítulo 7. Implementación digital del control lnl. En este capítulo se plantea la implementación totalmente digital de control lnl aplicado a vrm multifases. Para ello se muestran cada uno de los bloques que forman parte del control digital. Se hace un análisis de las principales características de cada uno de ellos, destacando la influencia de los parámetros de diseño en la respuesta dinámica del convertidor. Se propone y valida mediante resultados de simulación y experimentales la implementación digital del control lnl; y se validan nuevas propuestas que mejoran la dinámica del convertidor, tales como la modulación de ancho de pulso digital (dpwm) síncrona de alta resolución, y la conversión analógico/digital (adc) de ventana de alta velocidad, para aplicaciones en electrónica de potencia. capítulo 8. Optimización del control lnl. En este capítulo se realiza un estudio analítico con el que se define el método de optimización del control lnl, basado en el análisis del circuito, mediante el método del balance de cargas del condensador de salida durante un transitorio de carga. Se propone el control lnl con umbrales asimétricos que permite disminuir la sobreoscilación de corriente (ringing) durante los transitorios, característica del control lnl original. Finalmente, se propone el control lnl óptimo, el cual puede ser implementado digitalmente, además del algoritmo de funcionamiento y su metodología de diseño. capítulo 9. Conclusiones y recomendaciones. En este capítulo se resumen las principales conclusiones del estudio realizado sobre el control lnl, aplicado a convertidores reductores síncronos multifases con respuesta dinámica rápida. Se valora la novedosa solución mixta analógico/digital, que no requiere de conversores analógico/digitales, lo que hace que esta propuesta sea muy interesante para ser utilización en aplicaciones con determinados requerimientos dinámicos. Se analizan las principales conclusiones de la propuesta de implementación del control lnl totalmente digital. También, se resumen las principales ventajas obtenidas como resultado de la optimización del control lnl y de su metodología de diseño. además, se describen un conjunto de recomendaciones y se trazan las líneas futuras de investigación sobre la aplicación del control lnl.
Datos académicos de la tesis doctoral «Control lnl aplicado a convertidores reductores síncronos multifase con entrelazado, baja tensión de salida y respuesta dinámica rápida«
- Título de la tesis: Control lnl aplicado a convertidores reductores síncronos multifase con entrelazado, baja tensión de salida y respuesta dinámica rápida
- Autor: José De Jesús Quintero Paredes
- Universidad: Carlos III de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 20/07/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Andrés Barrado Bautista
- Tribunal
- Presidente del tribunal: emilio Olías ruiz
- Marta María Hernando alvarez (vocal)
- gabriel Garcerá sanfeliu (vocal)
- oscar Garcia suarez (vocal)