Control LnL aplicado a convertidores reductores síncronos multifase con entrelazado, baja tensión de salida y respuesta dinámica rápida

Abstract

La industria de la microelectrónica ha evolucionado muy rápidamente durante los últimos años y se prevé que esta tendencia se prolongue en el futuro, traduciéndose en circuitos electrónicos cada vez más rápidos. Los microprocesadores (μP) son los circuitos integrados que mejor representan esta tendencia y, de alguna manera, son los que encabezan este movimiento. Según se va incrementando la velocidad y la capacidad de procesamiento de los microprocesadores, los fabricantes se encuentran con un problema adicional: la alimentación del μP. Los requerimientos que se exigen a las fuentes de alimentación de los μPs son cada vez más exigentes. La tensión de salida de estas fuentes debe ser baja y requiere de una gran calidad para el correcto funcionamiento del μP, lo cual dificulta enormemente su diseño y fabricación. El diseño de este tipo de fuentes de alimentación es cada vez más complejo y con requisitos dinámicos cada vez más elevados. Las bajas tensiones de alimentación, las altas corrientes y las altas derivadas de corriente demandadas, son los retos actuales que imponen los microprocesadores a sus fuentes de alimentación. Además, se está produciendo un incremento de consumo de potencia por unidad de área, lo que genera un problema térmico adicional. De aquí, que una adecuada gestión térmica, es otro de los retos, no menos importante, con el que se enfrentan los diseñadores. Estas fuentes a su vez se alimentan de un bus de distribución. Tanto el bus de distribución como las fuentes de alimentación de los microprocesadores varían su arquitectura en dependencia del tipo de aplicación. No obstante, todas estas arquitecturas tienen como elemento en común, la posibilidad de pasar, muy rápidamente, de un estado de bajo consumo, unos cuantos amperios, a un estado de alta actividad, varias decenas de amperios (hasta 150A). Estas transiciones ocurren con derivadas de corrientes muy elevadas, que puede alcanzar los amperios por nanosegundo (aprox. 1,2A/ns). Con el objetivo de garantizar la adecuada respuesta ante los transitorios de carga, se necesitan un número elevado de condensadores. Estos condensadores están distribuidos en diferentes puntos, con el objetivo de minimizar la influencia de los parásitos. Por lo tanto, cualquier solución, tanto topológica como de estrategia de control, que permita disminuir el número de condensadores de salida garantizando los mismos requerimientos, implica una mejora considerable de las características de estas fuentes de alimentación, conocidas como módulos reguladores de tensión (VRM del inglés Voltage Regulator Module). Para alcanzar estos objetivos es necesario que los nuevos cambios tecnológicos estén dirigidos a investigar sobre topologías y estrategias de control avanzadas, con el objetivo de lograr un alto rendimiento, una alta densidad de potencia y rápida respuesta ante transitorios de carga, para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes. El primer objetivo de este trabajo está centrado, en mejorar la respuesta dinámica de los VRM multifase para aplicaciones de baja tensión y altas corrientes de salida con altas derivadas de la corriente de carga, aplicando la estrategia de control conocida como control lineal no lineal (LnL). Por otra parte, se hace un análisis riguroso del control LnL y se estudia su comportamiento aplicado a los VRM. Como resultado, se destacan las ventajas que aporta esta estrategia de control respecto a la estrategia de control lineal, destacando la capacidad del control LnL de mejorar, significativamente, tanto las características dinámicas del VRM como su estabilidad ante perturbaciones de la carga. Como segundo objetivo se establece, el diseño de un convertidor VRM multifase reconfigurable con control analógico/digital mixto, en el que se pueda implementar tanto un control lineal como un control LnL, que permita validar experimentalmente los resultados teóricos obtenidos durante el estudio de las diferentes configuraciones topológicas analizadas. Un tercer objetivo se centra en el diseño de un convertidor VRM multifase con control totalmente digital, con el fin de contrastar las ventajas e inconvenientes del control LnL sobre una plataforma versátil basada en una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array). Además de resolver todas las particularidades resultantes de la adaptación del control LnL analógico a su implementación mixta o totalmente digital, se propone la optimización del control LnL utilizando el método del balance de cargas del condensador de salida. Se propone el algoritmo que optimiza la respuesta del convertidor para unos parámetros de diseño determinados y se propone el control LnL asimétrico como solución que permite disminuir las sobre corrientes durante los transitorios.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The microelectronics industry has grown and developed very rapidly in recent years and this trend is expected to be extended in the future, resulting in electronic circuits faster and faster. Microprocessors (μP) are the integrated circuits that best represent this trend and, somehow, they lead this tendency. As increase the speed and processing capabilities of microprocessors, manufacturers are faced with an additional problem: to power the microprocessors. The requirements that require power supplies of μP are increasingly demanding. The output voltage from these sources should be low and requires a great quality for the proper functioning of μP, which greatly complicates its design and manufacturing. The design of such power supply is becoming increasingly complex and with dynamic requirements ever higher. The low output voltages, high output currents with high slope are the current challenges imposed by the microprocessor to their power supplies. In addition, there has been an increase in power consumption per unit area, creating an additional thermal problem. Hence, a proper thermal management is another challenge, not less important, that designers have to solve. These power supplies are fed from a distribution bus. Both, the distribution bus and microprocessor power supplies vary its architecture depending on the application. However, all these architectures have the possibility of changing very fast from a low-power state, few amperes, to a state of high activity, several tens of amperes (up to 150A). These transitions occurs with very high currents slopes that can reach amperes per nanosecond (about 1.2 A / ns). In order to guarantee an appropriate load transients response is necessary a large number of capacitors. These capacitors are distributed in different points of the circuit, with the objective of minimizing the influence of parasitic effects. Therefore, any topological or control solution which allows reducing the number of output capacitors, but guaranteeing the same requirements, implies a significant improvement in the characteristics of these power supplies, known as voltage regulator modules (VRM). To achieve these objectives is required that the new-technological changes are aimed to investigate new topologies and advanced control strategies, with the aim of achieving a high efficiency, high power density and fast load transient response, for low voltage and high currents applications. The first aim of this work is focused on improving the dynamic response multiphase VRM, for low voltage and high output currents applications, applying the control strategy known as linear-non-linear control (LnL). On the other hand, a rigorous analysis of LnL control is made and its behavior applied to the VRM is studied. As a result, the advantages of this control strategy to improve significantly both, the dynamic characteristics of VRM and the stability to disturbances of the load, are highlighted. The second aim is the design of a reconfigurable multiphase VRM with analog / digital mixed control, in which can be implemented either linear or LnL controls, allowing experimental verification of the theoretical results obtained during the study of different topological configurations analyzed. A third aim is oriented to the design of a multiphase VRM with fully digital control, in order to compare the advantages and disadvantages of LnL control implemented on FPGA (Field Programmable Gate Array) platform. In addition to solving all the features resulting from the conversion of the analog LnL control into mixed LnL (analog and digital) or digital LnL implementation, a LnL control optimization is proposed by means of the balance charge method on the output capacitor. The proposed algorithm optimizes the response of the converter for certain design parameters. Finally, the asymmetrical LnL control is proposed as a solution that allows decreasing overcurrent oscillations during transients, regarding the symmetrical LnL control.