RT Dissertation/Thesis
T1 Design and characterization of high frequency microinductors for Power Supply on Chip (PwrSoC)
A1 López López, Jaime
AB The reduction in price, weight and volume of electronic devices has been steadilyramping for many years. This has enabled the development of systems that, on top ofbeing smaller, incorporate functions for which several devices were needed. In consumerelectronics, this has led to major developments in a multitude of technologies: On theone hand, the cost reduction and the increase in performance have allowed the growthof 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 worldsthat were until now restricted to it, for example, the development of less invasive medicalsystems, such as glucose sensors with wireless connectivity used to monitor diabetes.In every mentioned application, the efficient use of energy by means of power electronicsconverters has played a major role, being in some cases the enabling technology fortheir development.In this context of technological evolution, this thesis focuses on the study of one ofthe main components in most power electronics converters: the inductor. In this work, acomprehensive design procedure of a microinductor, used in the integrated power supplyof any of the miniaturized devices mentioned, is presented. For this purpose, contributionsare presented in all the necessary stages for its development: modeling, design andcharacterization.Regarding the modeling, the different proposal existing in the literature have beenanalyzed, 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 thatcompose the two main design outputs in the performance of these devices: inductanceand loss values. Additionally, a contribution to the equations that model the device’s straycapacitance, 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 themodel, solving them for each of the thousands of combinations of geometrical parameters.With this procedure, the optimum device can be obtained with total precision, regardlessof the definition of optimum used for its application and the input specifications, whileensuring that the device complies with different design constraints (core saturation isavoided, the temperature increase is kept within a set range, the self-resonant frequency ismuch higher than the operating frequency, etc.) This procedure allows the calculation ofthe optimal device and is especially suited for developments in which the only objectiveis the inductor design. However, the volume of data generated and the complexity of theequations make it difficult to include the design of the inductor in the design process ofthe 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. Thissimplification is based on an exhaustive analysis of the influence of each of the parametersthat make up the models, which allows a reduction of the complexity and volume ofdata generated, while a maintaining a great precision in the device description. By meansof this second procedure, not only can the optimum device be obtained, but also its designis easily integrated in the design of the whole power converter, a needed step in thedevelopment and application of this technology.Finally, regarding characterization, an exhaustive analysis is made for several of theinductor measurement procedures present in the literature. The contribution in this fielddoes not come from the creation of a new procedure, but form the mathematical developmentto calculate the uncertainty associated to the measurements obtained in each ofthem. Thanks to this analysis, a double objective is achieved: on the one hand, the designeris provided with a methodology capable of quantifying the precision in the measurements,allowing a reasoned and objective comparison of the different procedures; on theother hand, the approach allows to analyze, independently, the effect of each of the termspresent in the characterization of the device (components, equipment and measurementconditions), allowing the designer to focus on the ones that have a higher impact and tooptimize the resources.The conclusions obtained on each of the three mentioned aspects have been validatedby various methods: experimental measurement, finite element simulation or comparisonwith data published by independent authors.
AB Durante los últimos años, la reducción en precio, peso y volumen de los dispositivoselectrónicos ha sido una tendencia constante. Esto ha permitido no sólo crear dispositivosmás pequeños, sino incluir en ellos funciones para las que antes eran necesarios diversosequipos independientes. En la electrónica de consumo esto ha traído consigo un grandesarrollo en multitud de tecnologías: por un lado, la reducción en coste y el aumento enprestaciones han permitido impulsar tecnologías que, si bien ya existían, han conseguidouna implantación mucho mayor, como la transición de la telefonía tradicional al uso masivode “smartphones”; por otro lado, la miniaturización ha permitido llevar la electrónicaa mundos que hasta ahora le estaban restringidos, por ejemplo, al desarrollo de sistemasmédicos menos invasivos, como los sensores de glucosa con conectividad inalámbricausados para controlar la diabetes.En todas estas aplicaciones la gestión eficiente de la energía mediante convertidoreselectrónicos de potencia ha jugado un papel fundamental, en algunos casos siendo latecnología que ha permitido su desarrollo.En este contexto de evolución tecnológica, esta tesis se centra en el estudio de uno delos componentes fundamentales en la mayor parte de los convertidores de potencia electrónicos:las bobinas (o inductores). En este trabajo se presenta el procedimiento completode diseño de un microinductor (o microbobina), utilizado en la fuente de alimentación integradade cualquiera de los dispositivos miniaturizados ya mencionados. Para ello, sepresentan 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 enla literatura, estudiando cuáles presentan mejores resultados al emplearse en los dispositivosde interés. Una vez identificadas, se ha realizado un análisis pormenorizado delos distintos fenómenos que componen los dos parámetros principales en el desempeñode estos dispositivos: valor de inductancia y valor de pérdidas. Adicionalmente, se presentauna 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 analíticasque describen el modelo, resolviéndolas para cada una de las miles de combinacionesde parámetros geométricos. Gracias a este procedimiento se puede obtener con total precisiónel diseño óptimo del dispositivo, sea cual sea la definición de óptimo que se utilicepara su aplicación y sean cuales sean las especificaciones de entrada utilizadas, a la vezque se asegura que el dispositivo cumple con diferentes restricciones de diseño (se evitala saturación del núcleo, se mantiene la temperatura dentro de un rango establecido, seasegura 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 losque el único objetivo es el diseño del inductor. Sin embargo, el volumen de datos generadoy la complejidad de las ecuaciones dificultan incluir el diseño de la bobina en el procesode diseño del convertidor de potencia como conjunto.Para solventar el inconveniente de esta primera propuesta, se desarrolla un segundoprocedimiento de diseño con una aproximación diferente, basada en la simplificaciónde los modelos de inductancia. Esta simplificación parte de un análisis exhaustivo dela influencia de cada uno de los parámetros que componen los modelos, que permitereducir la complejidad y el volumen de datos generados, a la vez que se mantiene unagran precisión en la descripción del dispositivo. Mediante este segundo procedimiento,no sólo se puede obtener el dispositivo óptimo, sino que además su diseño es fácilmenteintegrable en el diseño de todo el convertidor de potencia, paso necesario para el desarrolloy la aplicación de esta tecnología.Por último, en lo referente a la caracterización, se realiza un análisis exhaustivo devarios de los procedimientos de medida de inductores presentes en la literatura. La aportaciónen este campo es presentar el desarrollo matemático para calcular el margen deincertidumbre con el que se obtienen los datos en cada uno de ellos. Gracias a este análisisse consigue un doble objetivo: por un lado, se provee al diseñador de una metodologíacapaz de cuantificar la precisión en las medidas, permitiendo una comparación razonaday objetiva de los diferentes procedimientos; por otro, la aproximación permite analizarde manera independiente el efecto de cada uno de los términos presentes en la caracterizacióndel dispositivo (componentes, equipos y condiciones de medida), permitiendo aldiseñador incidir en los que tienen un efecto más acusado y optimizar la utilización derecursos.Las conclusiones obtenidas sobre cada uno de los tres aspectos mencionados han sidovalidadas por diversos métodos: medidas experimentales, simulación de elementos finitoso comparación con datos publicados por autores independientes.
YR 2021
FD 2021-06
LK https://hdl.handle.net/10016/33286
UL https://hdl.handle.net/10016/33286
LA spa
NO Mención Internacional en el título de doctor
NO This work was carried out in the frame of a collaboration with Tyndall National Institute(Cork, Ireland). I appreciate the support of Prof. Cian O’Mathuna and Mr. SeamusO’Driscoll, who kindly hosted me and provided some of the devices used in this thesis.
DS e-Archivo
RD 27 jul. 2024