Regulador conmutado usando convertidores de alta reducción para microprocesadores

Abstract

"The present trend in the design of microprocessors is driven by power supplies with a very low output voltage (~ 1 V ), a regulation window (~ 100mV ), a wide voltage conversion (1/12 a 1/48), and additionally an increment of current supplied ( 100 A) with a fast response. This trend represents a great challenge in the design of voltage regulators who are responsible to supply energy to the microprocessors. Voltage regulators should be designed without the excessive use of capacitors in the output. As a first choice, an optimized buck converter should be designed such that the requirements of the output current can be satisfied. In this converter, ceramic capacitors with a small equivalent series resistance should be used, which is the expected choice in voltage regulators for the next generation of microprocessors. In fact, the development of new topologies will play an important role to satisfy the aforementioned requirements. In Chapter 2, a discussion is given for topologies that can satisfy a wide conversion ratio, a low voltage and a simple controller. A comparative study between the quadratic buck and synchronous converters is given. In both cases, the design considerations for the converters are given such that the required voltage conversions are obtained but the expressions for the voltage and current ripples of capacitors and inductors are given as well. In Chapter 3, it is shown how a wider range of conversion is obtained when an array of capacitors and diodes is added to the above converters. This scheme is also referred as a voltage multiplier. A controller is proposed in Chapter 4 based on average current-mode control that consists in two feedback loops. The inner current loop uses an error amplifier with high gain and wide bandwidth for a fast transient response. The outer voltage loop uses a proportional integral controller for voltage regulation purposes. The above control strategy works very well even for step changes in the load. In Chapter 5, a discussion is given about the topologies and a perspective of future work as well."

"La tendencia actual en el diseño de microprocesadores está caracterizada por fuentes de alimentación con un voltaje muy bajo (~ 1 V ), una ventana de regulación (~100 mV ), una gran relación de conversión (1/12 a 1/48), y adicionalmente un incremento en las corrientes de suministro (~ 100 A) con una alta rapidez (~ 300 A/µs). Estas tendencias representan un gran reto para el diseño de reguladores de voltaje que son los encargados de suministrar energía a los microprocesadores. Los reguladores de voltaje deben ser diseñados sin un número excesivo de capacitores en su salida. En principio un convertidor reductor óptimo es diseñado para que cumpla con los requerimientos de corriente en su salida. En estos convertidores es recomendable usar capacitores cerámicos con una resistencia serie equivalente pequeña, lo cual es sin duda la selección esperada en los reguladores de voltaje para la próxima generación de microprocesadores. Sin lugar a duda, el desarrollo de nuevas topologías jugará un papel importante para satisfacer los requisitos anteriores. En el Capítulo 2 se discuten algunas topologías que pueden proporcionar amplios rangos de conversión y un voltaje bajo. Se proporciona un estudio comparativo entre los convertidores reductores cuadrático convencional y cuadrático síncrono. En ambos casos, se presentan las consideraciones de diseño de los convertidores no solamente para que puedan proporcionar las relaciones de conversión requeridas sino también para los rizos en los voltajes y corrientes en los capacitores e inductores. En el Capítulo 3 se muestra como es posible obtener un amplio rango de conversión cuando se agrega un arreglo de capacitores y diodos al convertidor. Este esquema también se conoce como multiplicador de voltaje. Un esquema de control es propuesto en el Capítulo 4 el cual consiste en dos lazos de realimentación de acuerdo al control modo-corriente promedio. En el lazo interior se realimenta el error de la corriente con una alta ganancia y amplio ancho de banda para mejorar la velocidad de la respuesta transitoria. El lazo exterior de voltaje utiliza un control proporcional -integral con el propósito de regular el voltaje de salida. Esta estrategia de control funciona muy bien aún para amplios cambios en la carga. En el Capítulo 5 se concluye con algunos comentarios sobre las topologías presentadas y una perspectiva sobre trabajo futuro."