Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Հզորության ինտեգրալային փոխակերպիչների նախագծման միջոցների մշակումն ու հետազոտումը

Գալստյան, Վաչե Աշոտի (2016) Հզորության ինտեգրալային փոխակերպիչների նախագծման միջոցների մշակումն ու հետազոտումը. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան .

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (20Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1291Kb) | Preview

      Abstract

      В современных субмикронных интегральных схемах (ИС) в результате масштабирования характерных технологических размеров, наряду с повышением степени интеграции и производительности, значительно увеличивается энергопотребление. Уменьшение последнего является главной задачей проектирования современных цифровых устройств, работающих с батарейным питанием. Системы питания ИС имеют наиболее важную роль в обеспечении стабильности работы и меньшего энергопотребления, главной функцией которых является получение требуемого уровня напряжения питания при переменных внешних условиях. В зависимости от соотношения напряжений на аккумуляторе и на входе ИС области применения систем питания делятся на две части: преобразование постоянного напряжения внешнего источника одного уровня в постоянное напряжение питания ИС других уровней, преобразование напряжения переменного уровня внешнего источника питания в постоянное напряжение фиксированного уровня на входе ИС. Примером первого случая является динамическое масштабирование напряжения питания, суть которого заключается в обеспечении работы различных частей системы при различных напряжениях питания для уменьшения мощности при сохранении производительности. Примером второго случая является обеспечение питания современных портативных устройств литий-ионными аккумуляторами, которые в зависимости от степени разрядки выдают напряжение питания определенного уровня. Для выполнения вышеуказанных функций широко используются преобразователи мощности. Преобразователи, основанные на переключающихся конденсаторах (ПНПК), являются хорошими заменителями распространенных индуктивных преобразователей, так как занимают меньшую площадь, и могут быть полностью реализованы с помощью интегральных цифровых комплементарных металл-оксид-полупроводниковых (КМОП) технологий. Главной задачей проектирования ПНПК является обеспечение высокой эффективности преобразования и снижение амплитуды колебаний выходного напряжения, так как последняя используется как напряжение питания для подключенных схем. По международным стандартам, эффективность преобразования входного напряжения должна превышать 80%, а амплитуда колебаний выходного напряжения должна быть не более 20 мВ. Существующие на сегодня методы проектирования ПНПК не могут удовлетворять современным практическим требованиям проектирования ИС. Основным недостатком этих методов является использование внешнего опорного напряжения и аналоговых схем в цепи контроля, что приводит к недопустимому росту энергопотребления. Исходя из вышеизложенного, возникла необходимость разработки новых и эффективных средств повышения эффективности преобразования и снижения колебаний выходного напряжения, которые бы удовлетворяли современным международным стандартам, без существенного увеличения потребляемой энергии или занимаемой на полупроводниковом кристалле (ПК) площади. Ժամանակակից ենթամիկրոնային ինտեգրալ սխեմաներում (ԻՍ) տեխնոլոգիայի բնութագրիչ չափերի մասշտաբավորման հետևանքով մեծացող արագագործության, ինտեգրացման աստիճանի և բարդության հետ մեկտեղ էապես աճում է նաև էներգասպառումը: Դրա նվազեցումը ժամանակակից դյուրակիր սարքերում կիրառվող ԻՍ-երին ներկայացվող հիմնական պահանջներից մեկն է: ԻՍ-երի էներգասպառման և աշխատանքի կայունության ապահովման մեջ մեծ դեր ունեն սնուցման համակարգերը, որոնք արտաքին միջավայրի փոփոխվող պայմանների դեպքում պետք է ապահովեն ԻՍ-ի սնման լարման պահանջվող մակարդակ: Ժամանակակից ԻՍ-երում ցածր էներգասպառմանը միտված նախագծման մեթոդների իրականացման համար ենթահամակարգերի սնման նպատակով տոպոլոգիական, ֆինանսատնտեսական և էներգասպառման տեսանկյունից խիստ շահավետ են փոխանջատվող ունակությունների վրա հիմնված հզորության ինտեգրալային փոխակերպիչները: Հզորության ինտեգրալային փոխակերպիչների (ՀԻՓ) նախագծման առկա անալոգային և անալոգաթվային միջոցների վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ դրանք հաշվի չեն առնում էներգասպառման, կառավարման հանգույցների՝ գործընթաց-լարում-ջերմաստիճան (ԳԼՋ) փոփոխությունների նկատմամբ կայունության, ԻՍ արտադրության ֆինանսատնտեսական խնդիրները, ինչպես նաև չեն ապահովում կառավարման համակարգի արագագործության և ելքային լարման տատանման ամպլիտուդայի (ԵԼՏԱ) բավարար մակարդակներ: Առաջարկվել է թվային կառավարմամբ, լայն հաճախականային բացվածքով տակտային ազդանշանի գեներատորի մշակման նոր մեթոդ: Ելքային ազդանշանի հաճախությունը կառավարվում է 6-կարգանի թվային կոդով` ապահովելով 100 ՄՀց–ից 2,4 ԳՀց հաճախականային միջակայք: Առաջարկված համակարգը գոյություն ունեցող լուծումների համեմատ ցուցաբերում է ավելի ցածր էներգասպառում՝ միևնույն ժամանակ ապահովելով սնման լարման տատանումների նկատմամբ ելքային ազդանշանի բավարար կայունություն [9,10]: Իրագործվել է չփոխծածկվող ազդանշանի գեներատոր, որը գոյություն ունեցող լուծումների համեմատ ապահովում է էներգասպառման, օգտագործված մակերեսի, տարրերի քանակի զգալի կրճատում՝ միևնույն ժամանակ հնարավորություն տալով թվային ազդանշանի միջոցով կառավարել ինչպես ելքային երկտակտ ազդանշանի չփոխծածկման, այնպես էլ ճակատի տևողությունները, ինչը հանդիսանում է առաջարկված ՀԻՓ համակարգի արդյունավետ կառավարման պայմաններից մեկը [3,4]: Մշակվել է առանց արտաքին հենակային լարման օգտագործման ՀԻՓ-ի ելքային լարման մակարդակի գնահատման մեթոդ: Վերջինիս իրագործման նպատակով մշակվել է անալոգաթվային ձևափոխիչի համապատասխան սխեմատեխնիկական լուծում՝ հիմնված մոդուլացված փոխանջատման լարումներով շրջիչների կիրառման վրա: Նախագծված կառուցվածքը լարման բաժանիչի վրա հիմնված անալոգաթվային ձևափոխիչների համեմատ ապահովում է էներգասպառման մինչև 3 անգամ կրճատում [6,7]: The continuous shrinking of integrated circuit (IC) component technology sizes along with increase in performance, density and complexity, also causes dramatic growth in energy consumption. The reduction of latter is one of the primary requirements for ICs used in modern portable devices. Power supply systems have major role in providing the required level of IC stability and energy consumption, which generate stable supply voltage in case of varying environmental conditions. Switched capacitor power converters (SCC) are highly beneficial to provide supply voltage to IC subsystems for implementation of low energy consumption oriented IC design methods in terms of topological, economical point of view and for overall system power efficiency considerations. Analysis of available SCC design methods shows that they don’t provide required level of power efficiency, stability over process-voltage-temperature (PVT) variations, performance and output voltage ripple as well as don’t take into consideration the IC manufacturing and financial issues. A novel method for digital control clock signal generator design is proposed which enables generation of both high and low frequency clock signals within output frequency range from 100MHz to 2.4GHz, by the same time demonstrating less power consumption and higher output voltage stability over supply voltage variations compared with known solutions [9,10]. A non-overlap clock generator is designed, which provides significant reduction in power consumption, occupied on-die area, count of used transistors, by the same time enabling digital control over non-overlap period the transition of output signals, which is a required condition for SCC efficient control [3,4]. A design method for low power analog to digital converter (ADC) is proposed SCC output voltage assessment, which allows the estimation of actual output voltage level without usage of external bias voltage. ADC synchronization method is proposed to reduce supply to ground currents, which significantly minimizes power consumption [6,7].

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка и исследование методов проектирования интегральных преобразователей мощности. Development and research of integrated power converter design methods.
      Uncontrolled Keywords: Галстян Ваче Ашотович, Galstyan Vache Ashot
      Subjects: Control, Automation and Electrical Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 18 Oct 2016 10:15
      Last Modified: 24 Oct 2016 11:24
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/3631

      Actions (login required)

      View Item