Single-inductor dual-output DC-DC converter with multiple flying capacitors
Çoklu uçan kapasitör kullanan tek-indüktör çift-çıkış DC-DC dönüştürücü
- Tez No: 807427
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI, DR. KEMAL OZANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 111
Özet
Geçtiğimiz yıllarda, silikon alanı ve verimlilik açısından daha efektif DC-DC anahtarlamalı dönüştürücü tasarımları yapabilmek için literatürde çeşitli araştırmalar sunulmuştur. Düşük güç kaybı ile çalışmaları sebebiyle, anahtarlamalı dönüştürücüler yüksek verim ihtiyacı içeren sistemlerde vazgeçilmez bir yer almıştır. Bu uygulamaların başında güç yönetimli entegre devreleri gelmektedir. Teknolojinin gelişmesi ile daha az yer kaplayan ve daha uzun kullanıcı süresine sahip taşınabilir elektronik ürünler ilgi görmeye başlamıştır. Bu sebeple, telefon, tablet ve akıllı saat gibi taşınabilir kullanıcı elektronik ürünlerin geliştirilmesi için endüstride düşük güç tüketimli ve az silikon alanı kaplayan entegre devreleri sunulmuştur. Teknolojinin gelişmesi ve ihtiyaçların değişmesi ile beraber düşük güç tüketimli entegre devrelerinin araştırılmasına ve çeşitli iyileştirmelerin sunulmasına devam edilecektir. hem literatürde, hem de endüstride, tek indüktör kullanan çift çıkışlı DC-DC anahtarlamalı dönüştürücüler sunulmuştur. Tek indüktör içeren bu sistem, ihtiyaca bağlı olarak, çift çıkış gerilimi veya çoklu çıkış gerilimi sağlayabilir. Çoklu çıkış gerilimi üretmek için sadece bir tane güç indüktörünün bulunması, sistemde kullanılan alanın azalmasını sağlayarak üretim ve geliştirme maliyetinin de azalmasına olanak sağlar. Tek indüktor çift çıkış DC-DC anahtarlamalı dönüştürücüler, literatürde var olan aynı amaçla kullanılabilecek devrelere kıyasla uygun maliyetli olmasından ötürü üreticilerin dikkatini çekmekte ve çeşitli taşınabilir elektronik ürünlerde kullanılmaktadır. Literatürdeki en temel tek indüktör çift çıkış DC-DC anahtarlamalı dönüştürücü buck-boost anahtarlama sekansında çalışan bir topolojidir. Fakat özellikle negatif çıkış geriliminin üretilmesinde bu topoloji bazı tasarım problemlerine sahiptir. Güç indüktörünün çıkış gerilimine yaklaşık bir gerilim görmesinden ötürü üzerindeki gerilim stresi fazladır. Buna bağlı olarak, indüktör dalga akımı fazladır ve bu verimlilikte negatif bir etki oluşturur. Bunun yanında indüktör dalga akımının fazla olmasından ötürü indüktörden kaynaklanan manyetik kayıplar fazladır. Devrede bulunan negatif çıkış gerilimi anahtarı, çıkış gerilimi kadar $V_{DS}$ gerilimi görür ve daha negatif çıkış gerilimlerinde bu anahtarın üzerinde çok fazla gerilim stresi oluşturarak bu anahtarın işlevsiz kalmasına neden olabilir. Bütün bu noktalara geliştirme olması amacıyla hibrit devreler önerilmiş ve devreye uçan kapasitör eklenmiş tasarımlar literatürde yer almıştır. Bu tez çalışması, devreye uçan kapasitörün eklenmesiyle oluşan iyileştirmelerin daha da vurgulanması amacı ile devreye ikinci uçan kapasitörü ekler ve hibrit topolojinin avantajlarını optimize eder. Bu tez çalışmasında bir güç induktorü içeren çift çıkışlı DC-DC anahtarlamalı dönüştürücünün veriminin iyileştirilmesi üzerine yeni bir topoloji önerilmiş ve literatürde yer alan DC-DC anahtarlamalı dönüştürücü topolojileri ile beraber simüle edilerek performans iyileştirilmeleri vurgulanmıştır. Sonuçlar bölümünde hem pozitif çıkış gerilimi hem de negatif çıkış gerilimi üretimi sonuçları, farklı çıkış yükü değerlerinde ve farklı giriş gerilimi değerlerinde sunulmuştur. Tasarımlar makro model olarak gerçeklenmiş, benzetimde devreyi ideallikten uzaklaştıracak etkenler (anahtarların ve pasif elemanların iç dirençleri gibi) eklenerek ve tüm güç kayıp unsurları hesaplanarak çalışmada bütünlük sağlanması amaçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Over the past years, there has been extensive research in the literature to develop more robust converter designs in terms of area and efficiency. Owing to their high efficiency operation, DC-DC converters have been an essential role in power management integrated circuits (PMICs). In the application of portable devices, the power management system supplies voltage to the different circuits therefore, the power management system requires the need to provide different output voltage levels with high efficiency. One of the most important specifications of DC-DC converters is efficiency, which is the measure of how much power is dissipated by the converter, without being delivered to the output. In the context of mass production, the cost of the components plays a massive role, considering inductors and capacitors. They should not occupy large areas in the system in order not to increase development and production costs. In the literature and in the market, converters using single power inductors to generate dual outputs have been presented. They are so-called Single-Inductor Dual-Output(SIDO) DC-DC converters. SIDO converter is able to support double output based on the application, having only one inductor which significantly relaxes the board area constraints and development costs. Therefore, SIDO converters have been seen in the market as cost-effective, taking the attention of most manufacturers with various applications in portable devices. The thesis focuses on improving SIDO DC-DC converter efficiency and relaxing coil constraints. This thesis presents a novel Single-Inductor Dual-Output (SIDO) DC-DC converter topology with two flying capacitors. The two flying capacitors are located in the same current path, targeting an enhanced voltage drop reduction on the inductor, and a decrease in the inductor current slope, aiming for improved power efficiency and relaxed coil current constraints. For the completeness of the work and to show improvements compared to previous designs that are present in the literature, conventional SIDO topology, the SIDO topology with one flying capacitor, and the proposed SIDO converter with two flying capacitors have been simulated. The efficiency results include all possible loss contributors, as well as core loss caused by the inductor. The core loss estimation method is also used in this work to model magnetic losses that are contributed by the inductor. The method estimates the B-H loop with a proper model of the inductor according to the core parameters of the coil. The core loss estimation method also considers the difference between the operation mode of the converter and gives more accurate core loss data.
Benzer Tezler
- Yüksek sıklıkta çalışmaya uygun gilbert karıştırıcı tasarımı
Gilbert mixer design suitable for operating at high frequency
EMRE ALTUNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Design of high efficiency switching converters for mobile applications
Mobil uygulamalar için yüksek verimli anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı
KEMAL OZANOĞLU
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR
- CMOS realization of new alternative active elements for analog signal processing and their applications
Analog sinyal işleme için yeni alternatif aktif elemanların CMOS gerçeklemesi ve uygulamaları
ARDA GÜNEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
- Paralel işaret işleme sistemi ve bir uygulama
A Parallel signal processing system and an application
FATİH KURUGÖLLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. EMRE HARMANCI
- Çift X uçlu diferansiyel fark akım taşıyıcı (DXDDCC) tabanlı devrelerin tasarımı ve simülasyonu
Design and simulation of dual-X differential difference current conveyor (DXDDCC) based circuits
MELTEM BALABAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN YÜCE