Stability analysis of adaptively biased low dropout regulators
Adaptif kutuplamalı alçak gerilim düşümlü regülatörlerin kararlılık analizi
- Tez No: 467309
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Teknolojinin gelişmesi ile taşınabilir cihazlar gündelik hayatımızda büyük yer kaplamaya başlamıştır. Tümdevrelerin yıldan yıla daha küçük teknolojilerde üretilebilmesi ile birlikte taşınabilir cihazlar daha çok işlem yapabilme özelliği kazanmıştır. İşlem kapasitesinin artmasıyla birlikte batarya ömrü ve verimlilik önem kazanmıştır ve bu cihazlarda kullanılan devrelerin daha düşük güçte ve yüksek verim ile çalışması için yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Ayrıca aynı alanda daha çok enerji depolamak için batarya teknolojileri de gelişmektedir. Güç yönetimi tümdevreleri günümüzde kullandığımız bütün elektronik cihazlarda bulunmaktadır. Sistemde bulunan elemanların veya diğer tümdevrelerin farklı gerilim ve akım gereksinimleri bataryadan direkt sağlanamayacağından, güç yönetimi tümdevreleri sistemdeki farklı gerilim ve akım ihtiyaçlarını sisteme iletmektedir. Bir güç yönetimi tümdevresinde batarya gerilimini daha düşük gerilimlere dönüştüren gerilim azaltan dönüştürücü ve batarya geriliminden daha yüksek gerilimlere ihtiyaç duyan elemanlar için gerilim artıran dönüştürücüler bulunabilir. Gerilim dönüştürücüler anahtarlamalı ve lineer regülatörler olarak ikiye ayrılabilir. Anahtarlamalı regülatörler bir güç anahtarının açılıp kapanmasıyla çalışırlar ve çıkış geriliminde dalgalanmalara neden olabilirler fakat verimleri oldukça yüksektir. Yüksek akım gereksinimi olan blokların beslenmesinde anahtarlamalı regülatörler sıklıkla kullanılırlar. Lineer regülatörler ise güç anahtarına ihtiyaç duymazlar ve anahtarlamalı regülatörlere kıyasla daha temiz bir çıkış gerilimi üretirler ancak verimleri anahtarlamalı regülatörlere oranla daha düşüktür. Bir güç yönetimi tümdevresi ihtiyaca göre her iki tür regülatörü de içerebilir. Gürültüye duyarlı analog ve radyo frekans devreleri beslemek için lineer regülatörler kullanılırken, verimin ön plana çıktığı yerlerde anahtarlamalı regülatörler kullanılabilir. Lineer regülatörler kullanılan geçiş transistörünün tipine göre standart lineer regülatörler veya alçak gerilim düşümlü regülatörler olarak isimlendirilirler. Alçak gerilim düşümlü regülatörler P katkılı geçiş transistörü kullanırken, standart regülatörlerde ise N katkılı geçiş transistörü kullanılır. Alçak gerilim düşümlü regülatörün verimi standart lineer regülatöre kıyasla daha yüksektir ve bu nedenle yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak alçak gerilim düşümlü regülatörlerde P katkılı geçiş transistörü kullanıldığından tümdevrede kapladığı alan standart regülatörlere kıyasla daha büyüktür ve alçak gerilim düşümlü regülatörlerin frekans kompanzasyonu standart lineer regülatörlere kıyasla daha zordur. Düşük çalışma akımı ve yüksek verimlilik yanında regülatörlerin yük akımı değişimlerine hızlı cevap vermeleri ve çıkış gerilimlerini istenen gerilim değerinde tutmaları istenir. Son yıllarda yapılan çalışmalarda özellikle düşük çalışma akımı ve iyileştirilmiş geçici hal cevabı konularına odaklanıldığı görülmektedir. Bu iki özelliği aynı anda gerçekleştirebilmek için regülatörün kutuplama akımı sabit bir akım ve değişken bir akımın birlikte kullanıldığı yapılarla sağlanmaktadır. Bu kutuplama teknikleri adaptif ve dinamik olarak ikiye ayrılabilir. Regülatörün akımının yük akımıyla orantılı olduğu kutuplama adaptif kutuplama olarak adlandırılmaktadır. Regülatörün kutuplama akımının sadece yük akımının yükselen ve düşen kenarlarında artırılması ise dinamik kutuplama olarak adlandırılmaktadır. Regülatörün kutuplama akımının yük akımının değerine göre adaptif olarak değiştirilmesi düşük çalışma akımını sağlamakla beraber yüksek yük akımlarında geçici hal cevabını iyileştirmektedir. Fakat adaptif kutuplama akımının belirli bir limit değerinden fazla olması halinde sisteme eklenen sıfır ve kutuplar regülatörün kararlılığını etkilemektedir. Literatürde yer alan adaptif kutuplamalı regülatörlerde adaptif kutuplama devresinin oluşturduğu çevrimin sisteme etkileri ve sonuç olarak sisteme eklenen veya değişen kutuplar ve sıfırların analizi detaylı olarak verilmemiştir. Adaptif kutuplama çevrimi minimum yük akımında dahi sistemdeki çevrimleri etkilemekte ve kararlı çalışan bir regülatörü kararsız hale getirebilmektedir. Lineer regülatörlerde adaptif kutuplama akımının sabit kutuplama akımına oranının artması düşük yük akımlarında regülatörün verimini artırmasına rağmen kararlılığı kötü yönde etkilemektedir. Bu tezin amacı, adaptif kutuplamanın alçak gerilim düşümlü regülatörlerin çevrim kazancını nasıl etkilediğini göstermek ve adaptif kutuplamayla sisteme eklenen veya değiştirilen kutup ve sıfırların analitik olarak elde edilmesi ve kararlı bir çalışma için kararlılık kriterlerinin elde edilmesidir. Tezin giriş bölümünden sonra ikinci bölümde yük regülasyonu, hat regülasyonu gibi lineer regülatörlerin karakteristikleriyle ilgili bazı tanımlamalar verilmiştir. Literatürde yer alan alçak gerilim düşümlü regülatörlerin frekans kompanzasyonu teknikleri, adaptif ve dinamik kutuplama ve gerilim izleyici kullanılarak yapılan alçak gerilim düşümlü regülatörler anlatılmıştır. Yük akımının değişiminin kapasitif kuplaj ile algılanarak çıkış geriliminin hızlı bir şekilde istenen gerilime gelmesine yardımcı ek devreler gösterilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde adaptif kutuplamalı alçak gerilim düşümlü regülatörlerin çevrim kazancı analizi yapılmıştır. Öncelikle emetör bağlamalı kuvvetlendiricinin adaptif kutuplama sağlayan transistörden gelen küçük işaret kazancının transistörlerdeki dengesizlik ile nasıl değiştiği gösterilmiş ve farksal giriş kazancı ile birlikte adaptif kutuplama transistöründen gelen küçük işaret kazancının birlikte verildiği bir model oluşturulmuştur. Bu model kullanılarak 2 katlı, NMOS transistörlerden oluşturulmuş giriş katlı bir LDO regülatörün iki farklı noktadan çevrim kazançları hesaplanmıştır. Hesap sonucu elde edilen sıfır ve kutupların transistörlerdeki dengesizlik ile nasıl değişeceği anlatılmış ve simülasyon sonuçlarıyla desteklenmiştir. Aynı şekilde 4 katlı ve PMOS transistörlerle oluşturulmuş giriş katlı bir LDO regülatörün miller kompanzasyonlu ve kompanzasyonsuz çevrim kazancı hesaplanıp sıfır ve kutupları elde edilmiştir. Yapılan hesaplar Monte Carlo simulasyonundan elde edilen sonuçlarla doğrulanmıştır. Her bir yapı için kararlı çalışma için gereken kararlılık kriteri verilmiştir. Miller kompanzasyonsuz LDO regülatörlerde adaptif kutuplama sonucunda sisteme eklenen sıfırların sadece frekanslarının kontrol edilebildiği gösterilmiştir. Miller kompanzasyonlu LDO regülatörlerde ise adaptif kutuplamanın neden olduğu sıfırların hem frekans hem de hangi yarı düzlemde olacaklarının kontrol edilebildiği gösterilmiştir. Sistem kararlılığını bozmayan maksimum adaptif kutuplama oranının hangi adımlarla hesaplanacağı verilmiştir. Tezin son bölümünde sonuçlar ve gelecek çalışmalar anlatılmıştır. Elde edilen sonuçlar özetlenmiştir ve adaptif kutuplama devrelerinde yapılabilecek iyiliştirmelerden kısaca bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Portable mobile devices have become an essential part of our lives. With the improvements in the technology, more functionalities are implemented on the cellular phones and tablets. Increasing functionality of the portable battery powered devices lead to spectacular improvements in the power management and the efficiency topics. The industry is pushing towards the power management integrated circuits (ICs) with high power efficiency and low quiescent currents. Since the functional blocks in a portable device requires different voltage levels, multiple voltage sources like buck converters, linear regulators or low dropout regulators (LDOs) are needed in the power management ICs. Even though switching converters exhibit higher efficiency, linear regulators are also used to supply noise sensitive analog and radio frequency (RF) circuits because of their cleaner output voltage. LDOs have better efficiency compared to standard linear regulators. LDO design is an active research area and many publications are present in the literature about stability, low quiescent current and the transient response improvement of the LDOs. The recent papers on LDOs mainly focus on the low quiescent current and transient improvements. Adaptive biasing and dynamic biasing are the most common techniques to achieve a low quiescent current and good transient performance. This thesis focuses on the stability analysis of the adaptively biased LDOs and provides a guide for achieving stable LDOs. In the first chapter, organization and purpose of the thesis are given. In the second chapter, some common terms related to LDOs like load transient, line transient, load regulation, etc. are defined and nonstatic biasing techniques, transient response improvements, techniques to achieve low quiescent current in the recent LDO publications are explained. In the third chapter, the main feedback loop and the inner loop in the adaptively biased LDO circuits are analyzed and the effect of the adaptive bias loop on the poles and zeros are shown. Stability criteria are obtained to overcome the stability issues caused by the adaptive biasing. The analysis results are verified by the simulation results.
Benzer Tezler
- Akışkan taşıyan ankastre bir borunun dinamik analizi ve bulanık mantık tabanlı uyarlamalı kontrolü
Dynamic analysis and fuzzy logic based adaptive control of a cantilever pipe conveying fluid
MEHMET HAKAN DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
- Bir robot manipülatör için adaptif model izleme kontrol sistemi
An Adaptive model following control system for robotic manipulators
İHSAN ÖMÜR BUCAK
- Çok makineli güç sisteminde açısal kararlılık analizi ve kontrolör parametre optimizasyonu
Angular stability analysis and controller parameter optimization in multi-machine power system
SERDAR EKİNCİ
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEN DEMİRÖREN
- Adaptif kontrol yönteminin bir kimyasal prosese uygulanması
Application of adaptive control method in a chemical process
İSMET KOÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT AKAY
- Demiryolu araçları için yeniden tutunma kontrolünün ve kararlılık analizlerinin yapılması
Re-adhesion control and stability analysis for a railway vehicle
ÇAĞLAR UYULAN
Doktora
Türkçe
2017
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN