بررسی و بهبود مبدل‌های بسیار کاهنده جهت واحدهای تنظیم‌کننده ولتاژ

STUDENT

DEGREE

YEAR

Computers are ever more extensively used in household and industry and consume enormous portion of the electrical energy. Most of the computer power consumption is dedicated to Central Processing Units (CPU) and with the developments achieved in CPU architectures, supply voltage is decreased while its current has increased. Besides, with the increment of the microprocessors clock frequency, the current slew rate at the CPU socket is dramatically increased. Thus, significant challenges exist in the design of efficient Voltage Regulator Modules (VRMs) to achieve low voltage, high current and fast transient response. Moreover, the amount of space occupied by VRMs is important especially in laptop computers and datacenters. Besides, in new power architecture of data centers, the bus voltage is raised up to 48 V to reduce the conversion losses. Consequently, the VRMs voltage ratio is too low and in order to improve the dynamic characteristics and increase the power density, the switching frequency must be increased while keeping up the converter efficiency. Traditionally, the interleaved synchronous buck converter is employed by VRMs which has advantages like 1- simplicity of structure and control; 2- flexibility in changing the number of phases according to the output power (phase shedding); and 3- low cost. However, extremely low duty cycles of the buck converter lead to the increment of switching and conduction losses, output filter over-design, and poor current ripple cancellation. Therefore, improvement of high step down converters is essential for the characteristic enhancement of VRMs. The goal of this thesis is to analyze and improve the high step down converters for VRMs, so that in the introduced converters, the duty cycle is extended with minimum topology variation with respect to the synchronous buck converter. Thus, the advantages of the extended duty cycle and the buck converter are achieved simultaneously. To achieve this aim, first the existing high step down converters are reviewed and then a non-isolated high step down two phase converter is proposed which achieves ZVS without applying any extra switch. After that, a single phase high step down converter with continuous output current is introduced which applies coupled-inductors to extend the duty cycle and benefits from the advantages of the synchronous buck. Besides, the main switch turn-on is ZCS. Subsequently, in order to further extend the duty cycle and reduce the switching frequency related losses, the third converter is developed by adding a capacitor and a switch to the single phase high step down converter. The converter has low sensitivity to the leakage inductance. In order to investigate the proposed converters performance, theoretical analysis is preformed and then computer simulation is provided for each converter. Moreover, two prototypes of the proposed converters in chapters 4 and 5 are implemented to verify the theoretical analysis and converters operation. Keywords: Voltage Regulator Modules (VRMs), Extended Duty Cycle, Switching Losses, Synchronous Rectifier (SR)

با گسترش روزافزون استفاده از کامپیوترها در کاربردهای خانگی و صنعتی، حجم توان مصرف شده توسط آنها به‌صورت قابل توجهی افزایش یافته است. قسمت عمده توان مصرفی در کامپیوترها، توسط واحد پردازنده مرکزی (CPU) مصرف می‌شود. به مرور زمان و با پیشرفت‌هایی که در معماری CPUها حاصل شده، جریان مصرفی و ولتاژ تغذیه آنها به‌ترتیب افزایش و کاهش یافته است. همچنین با افزایش فرکانس کلاک و بهبود سرعت ریزپردازنده‌ها، نرخ تغییرات جریان در سمت CPU به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته است. بنابراین چالش بزرگی در طراحی واحدهای تنظیم‌کننده ولتاژ (VRM) مورد استفاده در بخش تغذیه CPU، وجود دارد و لازم است VRMها بازده و سرعت بالایی در ولتاژ خروجی پایین و جریان خروجی بالا داشته باشند. از سوی دیگر در بسیاری از کاربردها مانند لپ‌تاپ‌ها و مراکز داده، فضای اشغال شده توسط مدارهای VRM نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. در نتیجه لازم است چگالی توان واحدهای تنظیم‌کننده ولتاژ بهبود یابد. به‌علاوه در معماری‌های جدید بخش تغذیه مراکز داده، جهت کاهش بیشتر تلفات مجموعه، ولتاژ گذرگاه از 12 ولت به 48 ولت افزایش یافته است. با توجه به نکات بیان شده، نسبت ولتاژ خروجی به ورودی در مدارهای VRM بسیار کوچک بوده و به‌منظور بهبود سرعت پاسخ و افزایش چگالی توان، لازم است ضمن افزایش فرکانس کلیدزنی، بازده‌ نیز بالا باشد. به‌طور سنتی مبدل باک سنکرون درهم‌تنیده به‌عنوان VRM استفاده می‌شود. این مبدل مزایای زیادی دارد؛ از جمله: 1- سادگی ساختار و کنترل، 2- انعطاف پذیری در تغییر تعداد فازها مطابق با تغییرات بار جهت بالا نگهداشتن بازده در کل محدود تغییر بار خروجی، و 3- هزینه پایین. با این‌حال مبدل باک سنکرون دارای یک محدودیت ذاتی است. ضریب وظیفه این مبدل در چنین کاربردی بسیار کوچک است که در نتیجه آن 1- تلفات کلیدزنی، تلفات بازیابی معکوس و تلفات هدایتی افزایش می‌یابد، 2- به‌دلیل عملکرد نامتقارن لازم است فیلتر خروجی با حاشیه امنیت بالا (Overdesign) طراحی شود، و 3- حذف ریپل در ساختار درهم‌تنیده مؤثر نخواهد بود. بنابراین بررسی و بهبود مبدل‌های بسیار کاهنده امری ضروری برای بهبود مشخصات واحدهای رگولاتور ولتاژ می‌باشد. هدف از این پایان‌نامه بررسی و بهبود مبدل‌های بسیار کاهنده جهت واحدهای تنظیم‌کننده ولتاژ است به‌طوری‌که مدارهای معرفی شده ضمن گسترش ضریب وظیفه، کمترین تغییرات را نسبت به مبدل پایه باک سنکرون داشته باشند، تا هم‌زمان از مزایای گسترش ضریب وظیفه و نیز مزایای مبدل باک برخوردار گردند. به‌همین منظور در فصل دوم نخست مبدل‌های بسیار کاهنده بررسی می‌شوند. سپس در فصل سوم مبدل دو فاز غیر ایزوله بسیار کاهنده‌‌ای معرفی شده که بدون استفاده از کلید کمکی در ولتاژ صفر کلیدزنی می‌شود. پس از آن یک مبدل کاهنده تک‌فاز با سلف‌های تزویج شده و با جریان خروجی پیوسته در فصل چهارم معرفی می‌شود که در عین کاهنده‌تر شدن ساختار، از بسیاری از مزایای مبدل باک سنکرون نیز برخوردار است. به‌علاوه کلید اصلی این مبدل در جریان صفر روشن می‌شود. در ادامه، در فصل پنجم مبدلی ارائه شده که با افزودن یک خازن و یک کلید به مبدل فصل چهارم و با هدف کاهنده‌تر کردن ساختار و نیز کاهش بیشتر تلفات وابسته به فرکانس کلیدزنی ایجاد شده است. همچنین طراحی این مبدل به‌گونه‌ای صورت گرفته که حساسیت مدار نسبت به تغییر اندازه سلف نشتی کاهش یابد. مبدل‌های پیشنهادی از نظر تئوری تحلیل شده و عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است. همه مبدل‌ها شبیه‌سازی شده و نمونه‌های آزمایشگاهی مبدل‌های پیشنهادی در فصل‌های چهارم و پنجم نیز ساخته و ارزیابی شده‌اند. واژه‌های کلیدی: 1- واحدهای تنظیم‌کننده ولتاژ (VRMs)، 2- گسترش ضریب وظیفه، 3- تلفات کلیدزنی، 4- یکسوساز سنکرون (SR)