Analisi di un convertitore DC/DC Buck a singolo induttore e uscita multipla

This thesis, devoloped following an internship at Allegro MicroSystems, delves into the analysis of switched-mode DC/DC Single Inductor Multiple Outputs (SIMO) converters for the automotive industry. Taking into account the growing trend of increase in electrical subsystems in cars, it becomes apparent the need for multiple and different DC power supply voltages. Therefore it is crucial to improve and enhance the circuits that carry out the conversion from one voltage level to another, namely the DC/DC converters. One of the solution that allow to produce $N$ distinct power supply voltages with high efficiency and at low cost is the DC/DC SIMO converter. Starting from the analysis of DC/DC Single Inductor Single Output (SISO) converters applying the same methodologies the analysis of the SIMO converters is presented. To meet the market demands of the company , the objective is to specifically analyze the design of a DC/DC Single Inductor Dual Output (SIDO) \textit{Buck} converter. The steady state analysis and the principle of operation of the aformentioned is presented. Afterwards the research focuses on two possible control schemes for the converter. The first control scheme analyzed is voltage mode control, which achieves a tight regulated output through negative feedback. The second control scheme examined is the hystertic control, which relies on the use of comparators to maintain the regulated output voltage level. A comparison between the two cited control scheme is done through the use of Cadence Virtuoso. It becomes apparent that hysteretic control allows, compared to voltage control, for a more precise and regulated output voltage in the presence of variations of the supply voltage or in case of load variations. However, this advantage comes at the expense of a variable output voltage ripple. In fact, as the average inductor current increases also the output voltage ripples follows. This characteristic can be relevant for certain applications. Moreover, the average current flowing through the inductor in the proposed hysteretic control case is greater than in the case of voltage control. Suggesting a potential larger power consumption that would make the hysteretic control less efficient than the voltage mode. A more in-depth analysis is necessary, possibly in the context of future research.

La presente tesi, sviluppata in seguito a uno stimolante periodo di tirocinio aziendale presso Allegro MicroSystems, si concentra sull’analisi dei convertitori DC/DC a commutazione SIMO (singolo induttore multipla uscita) per l’industria automobilistica. Considerate le tendenze di crescita e incremento dei sottosistemi elettrici nelle automobili, emerge la necessità di avere multiple e differenti tensioni di alimentazione DC. Dunque, è cruciale migliorare i circuiti responsabili della conversione di tensione da un livello adun altro, ossia i convertitori DC/DC. Una soluzione che permette di produrre N distinte tensioni di alimentazione con alta efficienza e basso costo è il convertitore DC/DC SIMO. Attraverso una analisi dei convertitore DC/DC SISO si delinea il funzionamento dei convertitori SIMO. Per rispondere alle esigenze di mercato dell’azienda si pone l’obbiettivo di analizzare in particolare il design di un convertitore buck SIDO (singolo induttore a due uscite), partendo da una analisi a regime per comprenderne il funzionamento. Infine la ricerca si focalizza su due possibili schemi di controllo per il convertitore. Il primo schema di controllo studiato è un controllo in tensione che permette di ottenere precisione e controllo della tensione di uscita grazie alla retroazione negativa. Il secondo schema di controllo indagato è il controllo isteretico che per mantenere il livello di tensione dell’uscita regolato si basa sull’uso di comparatori. Attraverso l’utilizzo di Cadence Virtuoso viene alla luce che il controllo isteretico permette rispetto al controllo in tensione di avere, in presenza di variazioni della tensione di alimentazione o variazione dei carichi in uscita, un livello di tensione in uscita più preciso e regolato. Questo vantaggio però è a discapito di un ripple delle tensioni di uscita variabili, infatti all’aumentare della corrente dell’induttore il ripple aumenta. Questa caratteristica può essere problematica per alcune applicazioni. Infine, la corrente media che scorre nell’induttore nel caso del controllo isteretico proposto si rivela maggiore del caso del controllo in tensione, questo suggerisce un possibile consumo più elevato di potenza che renderebbe il controllo in tensione più efficiente. Una analisi più approfondita è necessaria, in contesto di ricerche future