Analysis and Development of a Dual Output-Single Coil Boost-BuckBoost DC-DC Converter for Laser Diodes Energy Management

The work presented in this manuscript is related to the field of the pico-projection. The generation of images via mirrors and laser beams is one of the main techniques adopted for miniaturized projectors. The main goal of the work here presented, done within STMicroelectronics labs, is focused on the overall improvement of the actual solution adopted by ST for a LBS projecting system. In such a system, beside the managing and controlling of the mirrors, a relevant part is demanded to the driving and supplying of the lasers diodes used for the image projection. Due to the different physics properties which differentiate two lasers (Green and Blue) from the third one (Red), a double supply system has been adopted: in the current architecture a couple of supply voltages are generated starting from two different integrated circuits. The architecture proposed in the manuscript presents a single integrated solution where a dual output, single coil DC-DC converter is used to generate the couple of supply voltages to be applied to the laser diodes. The analysis is focused on the development of an equivalent large-signal mathematical model. Furthermore, the small-signal analysis has been addressed with the purpose to obtain an equivalent small-signal mathematical model able to describe the electrical behavior of the circuit in presence of small perturbations applied to its inputs. The model obtained offers the possibility to integrate a control loop, to properly stabilize the outputs of the system to a fixed programmed value. The multivariable nature of the system requires a deep knowledge of the MIMO control theory, first detailed int the manuscript, then applied to the system.

Il lavoro presentato in questo manoscritto si colloca nell'ambito di studio della pico-proiezione. Tra la moltitudine di tecniche sviluppatesi con lo scopo di proiettare per mezzo di proiettori miniaturizzati, vi è la generazione di immagini attraverso l'utilizzo di microspecchi e fasci laser. La trattazione che segue nel manoscritto si inquadra nell'ottica di produrre un sostanziale miglioramento dell'attuale soluzione adottata da STMicroelectronics all'interno di un sistema di proiezione LBS. In tale sistema una parte rilevante è rappresentata dalla sezione di pilotaggio e alimentazione dei diodi laser utilizzati per la proiezione dell'immagine. A causa delle diverse proprietà fisiche che differenziano due dei laser utilizzati (Verde e Blu), dal terzo (Rosso), si è reso necessario l'utilizzo di un doppio sistema di alimentazione. L'architettura proposta, nell'ottica di ridurre consumi e dimensioni, prevede una singola soluzione integrata in cui un convertitore DC-DC duale a singolo induttore consente di generare entrambe le tensioni di alimentazione da applicare ai diodi laser. L'analisi si focalizza sullo sviluppo di un modello equivalente matematico del circuito, per grandi segnali. La successiva analisi di piccolo segnale ha lo scopo di ottenere un modello equivalente matematico in grado di descrivere il comportamento elettrico del circuito in presenza di piccole perturbazioni applicate ai suoi ingressi. Tale modello offre la possibilità dell'integrazione di un controllore realizzato appositamente per stabilizzare le uscite del sistema ad un valore programmato. La natura MIMO (multiple input-multiple output) dell'impianto richiede lo studio della teoria del controllo MIMO che viene dapprima opportunamente delineata all'interno del manoscritto e successivamente applicata al sistema in questione sia con tecniche predittive attraverso filtri di Kalman, sia con tecniche LQR in cui è necessario conoscere a priori le variabili di stato del sistema.