Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد راهنما) احسان ادیب (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad hossein Vafaie
محمدحسین وفائی ریزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Improving the Efficiency of The Low-Voltage Switching Power Supplies by using Synchronous Rectifier and Energy-Recovery Techniques
Recent improvements in semiconductor technologies have made the design of efficient low-voltage portable electronic devices possible. Buck converter is mostly used in low-voltage power supplies because of its simplicity and low cost. However, employing the traditional buck converter in a low-voltage power supply would result in low efficiency because of the freewheeling diode in the output path of the converter. Synchronous rectifiers in which MOSFETs are applied to mimic the operation of diodes can resolve this problem. Portability is another important parameter in designing portable devices. Device portability requires a converter with low weight and small size. Integrating the converter is attractive approach which is used recently in portable devices to reduce the size and decrease the weight. Portable devices are also supplied with batteries and the internal resistance of the batteries increases by aging. In other words, the output voltage of the batteries is variable during their life time. Therefore, employing a switching power supply for portable applications is a vital requirement for creating constant output voltage. However, in switching power supplies, applying a passive filter is necessary to regulate the output voltage of the converter. This passive filter usually consists of a large inductor and a bulky capacitor. Consequently, the output filter of a switching power supply requires large area for implementation. This is a fundamental drawback of the switching power supplies in portable applications. The size of the filter components decreases by increasing the switching frequency. Therefore, integrated switching power supplies in which very high switching frequencies can be attained is used for portable applications. In integrated switching power supplies, the switching frequency of the converter is increased up to several MHz. By increasing the frequency, the efficiency of the converter decreases significantly. To resolve this problem and improve the converter efficiency, several techniques such as energy-recovery, energy-recycling and energy-reuse are employed. In this thesis, the stored energy in the converter output capacitor is used for supplying the converter drive circuits. In addition, a energy recycling technique is applied to improve the converter efficiency. This technique has achieved about 10% efficiency improvement. Another application for low voltage buck converter is in the microprocessor power supplies. A fixed area on the motherboard is assigned to the processor power supply. Therefore, switching frequency of the converter must be increased to reduce the converter size. Recent processors require low-voltage and very high current power supply to operate properly. Creating these conditions is very challenging. In addition, these requirements would result in a very narrow pulse width for driving the switch. This narrow pulse create several drawbacks in converter operation. Therefore, this narrow duty-cycle must be extended. In previous works, to extend the duty-cycle, transformers are applied to the converter. In addition, to improve the efficiency of the converter, current source drivers are used. In this thesis, coupled inductors are used in the buck converter to extend the narrow converter duty-cycle. The energy stored in the leakage inductance of the coupled inductors is also recovered to supply the drivers of the switches. Utilizing these techniques has resulted in 5% efficiency improvement. Therefore, the efficiency of the converter is increased up to 83%. Keywords: Low-Voltage Switching Power Supply, Low-Voltage High-Current Buck Converter, Integrated switching power supplies, Synchronous Rectifier, Energy-Recovery Techniques
امروزه با پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات نیمه‌هادی و توسعه المان‌های الکترونیکی امکان ساخت تجهیزات الکترونیکی قابل حمل با ولتاژ پائین فراهم شده است. برای تولید تغذیه‌های با ولتاژ پائین معمولاً از مبدل باک استفاده می‌شود چرا که قابلیت کاهندگی ولتاژ را دارا بوده و دارای المان‌های کمی می‌باشد. اما استفاده از مبدل باک متداول برای کاربردهای با ولتاژهای کوچک به علت دارا بودن دیود در مسیر انتفال انرژی منجر به افت شدید بازدهی می‌شود بنابراین در مبدل‌های باک با ولتاژ خروجی کم از ماسفت برای شبیه‌سازی عملکرد دیود استفاده می‌شود. یکی دیگر از پارامترهای مهم و اساسی برای تجهیزات قابل حمل، کوچکی و سبکی وسیله می‌باشد لذا لازم است تا فرکانس سوئیچینگ مبدل بسیار بالا باشد تا سایز المان‌های پسیو کوچک شود. تجهیزات الکترونیکی قابل حمل از باتری به عنوان تغذیه استفاده می کنند و به این دلیل که مقاومت داخلی باتری با گذشت زمان افرایش می یابد بکارگیری منابع تغذیه سوئیچینگ برای ایجاد یک ولتاژ رگوله شده ثابت ضروری است. از طرفی بازدهی مبدل می بایستی بالا باشد تا نیاز به شارژ باتری حداقل شود. روشی که اخیراً در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل خصوصاً موبایل‌ها استفاده می‌شود مجتمع‌سازی منابع تغذیه می‌باشد. در مجتمع سازی منابع تغذیه سوئیچینگ مشکلات جدی وجود دارد. از جمله اینکه سلف و خازن پیاده سازی شده در مدارهای مجتمع دارای ضریب کیفیت کوچک بوده و منجر به افت شدید بازدهی می شود. همچنین اندازه سلف و خازن خروجی بسیار بزرگ بوده که برای پیاده سازی در مدارهای مجتمع غیرعملی هستند. برای کاهش اندازه المان ها از افزایش فرکانس استفاده می شود. افزایش فرکانس هم منجر به افزایش تلفات وابسته به فرکانس و در نتیجه افت شدید بازدهی می شود. در مجتمع سازی مبدل‌ها از تکنیک‌های متعددی از جمله بازیافت انرژی خازن‌ها، استفاده مجدد از انرژی مدارهای درایو و کاهش ولتاژ تغذیه درایورها استفاده می‌شود. در این پایان‌ نامه از انرژی ذخیره شده در خازن خروجی مبدل به عنوان تغذیه درایور استفاده شده و با استفاده از بازیافت انرژی، بازدهی مبدل حدود 10% افزایش یافته است. یکی دیگر از کاربردهای مبدل های باک با ولتاژ پائین تغذیه پردازنده ها می باشد. اما در طراحی مادربرد مربوط به کامپیوترها همواره قسمت مشخصی از برد به تغذیه پردازنده اختصاص یافته است. پردازنده‌های امروزی دارای ولتاژ تغذیه بسیارکم بوده و در عین حال نیاز به جریان‌های بسیار بالا دارند. فراهم کردن این ولتاژ کوچک به همراه جریان بالای مورد نیاز پردازنده با استفاده از مبدل باک متداول با مشکلات مهمی از جمله کوچک شدن ضریب وظیفه همراه است. کوچک شدن ضریب وظیفه منجر به کاهش بازدهی می‌شود لذا گسترش ضریب وظیفه ضروری است. برای گسترش ضریب وظیفه اقداماتی از جمله وارد کردن ترانس در توپولوژی مبدل و استفاده از درایورهای منبع جریان سریع برای سوئیچ‌ها انجام شده است. در این پایان نامه برای گسترش ضریب وظیفه از سلف های کوپل شده درمبدل باک استفاده شده و برای افزایش بازدهی مبدل هم انرژی ذخیره شده در سلف نشتی برای تغذیه مدارهای درایو سوئیچ استفاده شده و به این طریق بازدهی مبدل حدود 5% افزایش یافته و به حدود 83% رسیده است. واژه‌های کلیدی: 1-منابع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ پائین 2- مبدل باک ولتاژ پائین با جریان بالا 3- منابع تغذیه سوئیچینگ پیاده‌سازی شده در مدارهای مجتمع 4- یکسوساز سنکرون 5- تکنیک‌های بازیافت انرژی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی