یک تجهیز الکترونیکی شامل قسمت های مختلفی است که هرکدام نیازمند ولتاژ تغذیه مخصوص به خود هستند و تامین این ولتاژهای تغذیه، وظیفه مدار مدیریت توان است. اگرچه تاکنون پیشرفت های زیادی در توسعه فناوری باتری با هزینه کم و چگالی توان بالا وجود داشته است، اما افزایش بهره وری انرژی در مدارها و سیستم های الکترونیکی از طریق مدیریت توان ابتکاری و پربازده، هنوز هم به عنوان موثرترین و ضروری ترین روش در نظر گرفته می شود. در طول سه دهه گذشته، فناوری مدیریت توان، از اهمیت بیشتری برخوردار شده است و دلیل آن وسایل الکترونیکی قابل حملی هستند که جزئی از زندگی روزمره شده اند. موبایل های پیشرفته، دستگاه های پوشیدنی و اینترنت اشیاء، از باتری های لیتیوم-یونی که معمولا ولتاژ آنها بالاتر از ?/? ولت می باشد، تغذیه می شوند. معمولا تراشه هایی که در این سیستم ها استفاده می شوند، در یک تکنولوژی CMOS ساخته می شوند که برای تغذیه برخی از پردازنده ها یا واحدهای حافظه، به ولتاژهای پایین تا ?/? ولت نیاز است که این اختلاف ولتاژ بین تراشه و باتری، بیان کننده نیاز به یک مدار مجتمع مدیریت توان با نرخ کاهش بالا می باشد. در حالت ایده آل، این مدار باید برای به حداکثر رساندن طول عمر باتری، کارآمد باشد و همچنین برای به حداقل رساندن حجم دستگاه، کوچک
باشد. تمرکز اصلی این پایان نامه، پیاده سازی یک مبدل کاهنده با بازده بالا به صورت مدار مجتمع است. یکی از چالش های اصلی در بحث پیاده سازی و ساخت مبدل ها، انتخاب فرکانس کلیدزنی مبدل است، چرا که با افزایش فرکانس کلیدزنی، اندازه المان های ذخیره کننده انرژی کاهش می یابد، اما می تواند منجر به افزایش تلفات شود. با توجه به اینکه مدار رزونانس سری قابلیت ایجاد کلیدزنی نرم در ولتاژ صفر برای تمام کلیدها در روشن و خاموش شدن را دارد، می توان از این مدار برای پیاده سازی در مدارمجتمع استفاده نمود. چالش مهم دیگر، استرس جریان و ولتاژ کلیدها، برای تبدیل ولتاژ با نرخ بالا می باشد. با توجه به محدودیت استفاده از ترانسفورمر و سلف های کوپل شده در
مدارهای مجتمع، مبدل های کلید-خازنی چندسطحی معرفی شدند که این مبدل ها قابلیت پیاده سازی به صورت تمام مجتمع را دارند. در این توپولوژی، با شکستن ولتاژ ورودی به ولتاژهای کوچکتر به وسیله خازن های شناور، استرس ولتاژ ترانزیستورها کاهش می یابد. بااین حال، چالش اصلی در این مبدل ها، عدم تعادل ولتاژ خازن های شناور است که باعث محدودیت در استفاده از آن ها می شود. در این پایان نامه مبدلی با تعادل ذاتی ارائه شده است که با دستیابی به کلیدزنی نرم در ولتاژ صفر، می توان آن را در فرکانس های بالا طراحی نمود. این امر باعث
کوچک شدن حجم نهایی مبدل و درنتیجه افزایش چگالی توان، بدون افزایش تلفات کلیدزنی، می شود. در نهایت، با تحلیل این مبدل با تئوری مبتنی بر لاپلاس، شرایط کلیدزنی نرم در بهره ها و توان های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. مبدل پیشنهادی در این پایان نامه، در پروسه m??18.0 CMOSپیاده سازی شده و در فرکانس رزونانس ? مگاهرتز، ولتاژ ورودی در محدوده ?/? -?/? ولت، ولتاژ خروجی در محدوده ???/? -??/? ولت و حداکثر توان خروجی ? وات طراحی شده و بیشینه بازده %?/?? حاصل شده است.
کلمات کلیدی
مدیریت توان، مبدل چندسطحی ماژولار، مدارمجتمع، مبدل رزونانس سری، کلیدزنی نرم، سیستم روی تراشه