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

摘要

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.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------