Exploration of novel adapter topologies. Modelling, simulation and experimental validation of advanced topologies for 65W laptop adapters

The goal of this thesis is to validate two new topologies to fit laptop battery charging applications. In contrast with solutions optimising the DC/DC converter topology, the concepts that are validated aim at optimising other subsystems of the power adapter. The Front-End topology aims at optimising the AC/DC conversion stage. This optimisation leads to higher overall performances and increased power density. This concept is the object of a detailed validation including: analytical modelling, several simulations and initial lab tests. The thesis will include a description of all the needed analyses to lead towards a first hardware demonstrator of the concept. The Back-End topology aims instead at removing the bulk capacitor connected to the AC/DC conversion stage, by including an additional DC/DC load compensation stage to keep the load voltage constant and to more rapidly respond to load variations. The current work presents a cost-effective hardware demonstration strategy for this topology. The analyses on this topology are conducted using a digital power LED driver. By adding an additional signal (coming from the load compensation stage) it is possible to effectively regulate the power output of the converter. The current work includes initial validations (through simulations) and measurements to guide towards an optimized version of the overall topology.

Il presente lavoro tratta la validazione di due topologie concepite per la carica dei computer portatili (con potenza nominale di 65 W). A differenza di soluzioni in cui è ottimizzato lo stadio di conversione DC/DC, nelle soluzioni proposte ci si focalizza su altre parti facenti parte dell’alimentatore. La topologia Front-End rappresenta un’ottimizzazione dello stadio di conversione AC/DC, che permette di ottenere migliori prestazioni ed una maggiore densità di potenza. Questo circuito è oggetto di una validazione dettagliata che include: la modellazione analitica, diverse simulazioni ed alcune prove di laboratorio. Il presente lavoro presenta tutte le analisi sviluppate, preliminari alla realizzazione di un primo prototipo in hardware. La topologia Back-End mira invece a rimuovere completamente il condensatore di uscita dello stadio di conversione AC/DC, delegando la sua funzione di accumulo energetico ad uno stadio DC/DC di compensazione del carico. Questo stadio permette di mantenere la tensione di uscita costante e fornisce una più rapida risposta alle variazioni di carico. Nel testo sarà presentato lo sviluppo di una strategia di realizzazione di un prototipo a basso costo. Il prototipo è realizzato usando un alimentatore per lampade a LED. Utilizzando un segnale aggiuntivo, proveniente dallo stadio di compensazione, è possibile realizzare una regolazione della potenza erogata. Il presente lavoro include alcune analisi preliminari (attraverso simulazioni) e misure sperimentali della funzionalità della soluzione.