Two-output charge recovery driver for MEMS piezoelectric linear scanning mirrors

MEMS micromirrors are used in various optical applications like LiDAR and scanners. Piezoelectric actuators are commonly used to actuate micromirrors due to their lower required driving voltage and smaller package area than other actuators. Two anti-phase sawtooth voltages drive piezoelectric micromirrors, which have 90% trace and 10% retrace with a 120 Hz frequency depending on the refresh rate needed for the application. In this thesis, a single-inductor two-output dc-dc converter is used for the first time to drive the mirror. The charge recovery technique is applied to reduce energy consumption. The switching time must be divided between the two outputs. Therefore, different time-sharing techniques are introduced and compared regarding energy consumption. The dc-dc converter is modelled during the drive and charge recovery phase, and the compensators are designed to have a closed-loop driver with 10 kHz unity gain and 60° phase margin. The compensated closed-loop ideal driver is modelled on SIMULINK, with a 1 µs PWM period. To extract the energy consumption, the real dc-dc converter is used on Cadence Virtuoso, and the feedback loop is implemented on Verilog-a. The two-output closed-loop real driver drained 149.6 µJ during the reference period (1/120 s). It saved more than 30% of the energy consumption of the two-output analog voltage driver that operates without the energy recovery technique. Additionally, the digital compensators are designed and implemented on Artix-7 35T FPGA board. The compensators are tested using FPGA in loop (FIL) application on SIMULINK, where the compensators run on the FPGA, and the whole driver runs on SIMULINK.

I microcpecchi MEMS sono utilizzati in svariate applicazioni ottiche come sistemi LiDAR e scanner. Per attuare i microspecchi vengono solitamente utilizzati attuatori piezoelettrici per via delle loro basse tensioni di drive e delle dimensioni ridotte rispetto ad alter tipologie di attuatori. I microspecchi piezoelettrici vengono pilotati attraverso due segnali di tensione a dente di sega in antifase tra di loro, caratterizzati da una traccia del 90% e una ritraccia del 10% e una frequenza di 120 Hz, in dipendenza dal refresh rate richiesto dall’applicazione. In questo lavoro di tesi per la prima volta viene utilizzato un convertitore dc-dc a singolo induttore con due uscite per pilotare uno specchio. Si applica la tecnica del recupero di carica per ridurre il consume di energia. Il periodo di switching deve essere diviso tra le due uscite. Di conseguenza, diverse tecniche di time-sharing vengono introdotte e I rispettivi consumi di energia vengono comparati. Il convertitore dc-dc viene modellizzato durante la fase di drive e di recupero di carica, mentre il compensatore viene progettato in modo da garantire un driver ad anello chiuso caratterizzato da guadagno unitario, banda di 10 kHz e margine di fase di 60°. Il driver ideale compensato ad anello chiuso viene simulato su SIMULINK utilizzando un PWM con periodo di 1 µs. Per ricavare il consume di energia, il convertitore dc-dc reale viene modellizzato su Cadence Virtuoso e l’anello di retroazione viene implementato in Verilog-a. Il driver reale ad anello chiuso con due uscite dissipa 149.6 µJ durante il period di riferimento (1/120 s). Si riscontra un risparmio del 30% di energia rispetto al consumo del driver analogico a due uscite che opera senza l’uso della tecnica di recupero di carica. Il compensatore digitale viene progettato e implementato sulla board Artix-7 35T FPGA. Il compensatore viene testato attraverso il tool FPGA in loop (FIL) di SIMULINK, in cui il compensatore viene implementato sul FPGA mentre il driver è eseguito su SIMULINK.