Design and characterization of high frequency microinductors for Power Supply on Chip (PwrSoC)

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2021-06
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Abstract
The reduction in price, weight and volume of electronic devices has been steadily ramping for many years. This has enabled the development of systems that, on top of being smaller, incorporate functions for which several devices were needed. In consumer electronics, this has led to major developments in a multitude of technologies: On the one hand, the cost reduction and the increase in performance have allowed the growth of technologies that, although they already existed, have now seen a much wider implementation, such as the transition from landline phones to the massive use of smartphones. On the other hand, the miniaturization has made it possible to bring electronics to worlds that were until now restricted to it, for example, the development of less invasive medical systems, such as glucose sensors with wireless connectivity used to monitor diabetes. In every mentioned application, the efficient use of energy by means of power electronics converters has played a major role, being in some cases the enabling technology for their development. In this context of technological evolution, this thesis focuses on the study of one of the main components in most power electronics converters: the inductor. In this work, a comprehensive design procedure of a microinductor, used in the integrated power supply of any of the miniaturized devices mentioned, is presented. For this purpose, contributions are presented in all the necessary stages for its development: modeling, design and characterization. Regarding the modeling, the different proposal existing in the literature have been analyzed, studying which ones present the best results when used in the devices of interest. Once identified, a detailed analysis has been carried out for the different phenomena that compose the two main design outputs in the performance of these devices: inductance and loss values. Additionally, a contribution to the equations that model the device’s stray capacitance, essential to study its operating limits, is presented. Regarding the microinductor design, two different procedures are presented: The first procedure is based on the numerical resolution of the equations describing the model, solving them for each of the thousands of combinations of geometrical parameters. With this procedure, the optimum device can be obtained with total precision, regardless of the definition of optimum used for its application and the input specifications, while ensuring that the device complies with different design constraints (core saturation is avoided, the temperature increase is kept within a set range, the self-resonant frequency is much higher than the operating frequency, etc.) This procedure allows the calculation of the optimal device and is especially suited for developments in which the only objective is the inductor design. However, the volume of data generated and the complexity of the equations make it difficult to include the design of the inductor in the design process of the power converter. To overcome the drawback of this first proposal, a second design procedure is developed with a different approach, based on the simplification of the inductance models. This simplification is based on an exhaustive analysis of the influence of each of the parameters that make up the models, which allows a reduction of the complexity and volume of data generated, while a maintaining a great precision in the device description. By means of this second procedure, not only can the optimum device be obtained, but also its design is easily integrated in the design of the whole power converter, a needed step in the development and application of this technology. Finally, regarding characterization, an exhaustive analysis is made for several of the inductor measurement procedures present in the literature. The contribution in this field does not come from the creation of a new procedure, but form the mathematical development to calculate the uncertainty associated to the measurements obtained in each of them. Thanks to this analysis, a double objective is achieved: on the one hand, the designer is provided with a methodology capable of quantifying the precision in the measurements, allowing a reasoned and objective comparison of the different procedures; on the other hand, the approach allows to analyze, independently, the effect of each of the terms present in the characterization of the device (components, equipment and measurement conditions), allowing the designer to focus on the ones that have a higher impact and to optimize the resources. The conclusions obtained on each of the three mentioned aspects have been validated by various methods: experimental measurement, finite element simulation or comparison with data published by independent authors.
Durante los últimos años, la reducción en precio, peso y volumen de los dispositivos electrónicos ha sido una tendencia constante. Esto ha permitido no sólo crear dispositivos más pequeños, sino incluir en ellos funciones para las que antes eran necesarios diversos equipos independientes. En la electrónica de consumo esto ha traído consigo un gran desarrollo en multitud de tecnologías: por un lado, la reducción en coste y el aumento en prestaciones han permitido impulsar tecnologías que, si bien ya existían, han conseguido una implantación mucho mayor, como la transición de la telefonía tradicional al uso masivo de “smartphones”; por otro lado, la miniaturización ha permitido llevar la electrónica a mundos que hasta ahora le estaban restringidos, por ejemplo, al desarrollo de sistemas médicos menos invasivos, como los sensores de glucosa con conectividad inalámbrica usados para controlar la diabetes. En todas estas aplicaciones la gestión eficiente de la energía mediante convertidores electrónicos de potencia ha jugado un papel fundamental, en algunos casos siendo la tecnología que ha permitido su desarrollo. En este contexto de evolución tecnológica, esta tesis se centra en el estudio de uno de los componentes fundamentales en la mayor parte de los convertidores de potencia electrónicos: las bobinas (o inductores). En este trabajo se presenta el procedimiento completo de diseño de un microinductor (o microbobina), utilizado en la fuente de alimentación integrada de cualquiera de los dispositivos miniaturizados ya mencionados. Para ello, se presentan contribuciones en todas las etapas necesarias para su desarrollo: modelado, diseño y caracterización. En lo referente al modelado, se han analizado las diferentes propuestas existentes en la literatura, estudiando cuáles presentan mejores resultados al emplearse en los dispositivos de interés. Una vez identificadas, se ha realizado un análisis pormenorizado de los distintos fenómenos que componen los dos parámetros principales en el desempeño de estos dispositivos: valor de inductancia y valor de pérdidas. Adicionalmente, se presenta una aportación a las ecuaciones que modelan la capacidad parásita del dispositivo, imprescindibles para estudiar sus límites de funcionamiento. En cuanto al diseño de microinductores, se han desarrollado dos procedimientos diferentes. El primer procedimiento se basa en la resolución numérica de las ecuaciones analíticas que describen el modelo, resolviéndolas para cada una de las miles de combinaciones de parámetros geométricos. Gracias a este procedimiento se puede obtener con total precisión el diseño óptimo del dispositivo, sea cual sea la definición de óptimo que se utilice para su aplicación y sean cuales sean las especificaciones de entrada utilizadas, a la vez que se asegura que el dispositivo cumple con diferentes restricciones de diseño (se evita la saturación del núcleo, se mantiene la temperatura dentro de un rango establecido, se asegura una frecuencia de resonancia mucho mayor a la de funcionamiento, etc.). Este procedimiento permite el cálculo del dispositivo óptimo, y es ideal para desarrollos en los que el único objetivo es el diseño del inductor. Sin embargo, el volumen de datos generado y la complejidad de las ecuaciones dificultan incluir el diseño de la bobina en el proceso de diseño del convertidor de potencia como conjunto. Para solventar el inconveniente de esta primera propuesta, se desarrolla un segundo procedimiento de diseño con una aproximación diferente, basada en la simplificación de los modelos de inductancia. Esta simplificación parte de un análisis exhaustivo de la influencia de cada uno de los parámetros que componen los modelos, que permite reducir la complejidad y el volumen de datos generados, a la vez que se mantiene una gran precisión en la descripción del dispositivo. Mediante este segundo procedimiento, no sólo se puede obtener el dispositivo óptimo, sino que además su diseño es fácilmente integrable en el diseño de todo el convertidor de potencia, paso necesario para el desarrollo y la aplicación de esta tecnología. Por último, en lo referente a la caracterización, se realiza un análisis exhaustivo de varios de los procedimientos de medida de inductores presentes en la literatura. La aportación en este campo es presentar el desarrollo matemático para calcular el margen de incertidumbre con el que se obtienen los datos en cada uno de ellos. Gracias a este análisis se consigue un doble objetivo: por un lado, se provee al diseñador de una metodología capaz de cuantificar la precisión en las medidas, permitiendo una comparación razonada y objetiva de los diferentes procedimientos; por otro, la aproximación permite analizar de manera independiente el efecto de cada uno de los términos presentes en la caracterización del dispositivo (componentes, equipos y condiciones de medida), permitiendo al diseñador incidir en los que tienen un efecto más acusado y optimizar la utilización de recursos. Las conclusiones obtenidas sobre cada uno de los tres aspectos mencionados han sido validadas por diversos métodos: medidas experimentales, simulación de elementos finitos o comparación con datos publicados por autores independientes.
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