Etude et conception d'un convertisseur de tension mono-inductance double-sortie bipolaires pour la téléphonie mobile

Study and realisation of a single inductor bipolar output converter for mobile platforms

• Auteur / Autrice : Xavier Branca
• Direction : Xuefang Lin-Shi, Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electrotechnique
• Date : Soutenance le 10/07/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Franco Maloberti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xuefang Lin-Shi, Bruno Allard, Franco Maloberti, Yves Lembeye, Jose Cobos, David Chesneau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Lembeye, Jose Cobos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Téléphonie mobile

Mots clés libres

Télécommunications

Téléphonie mobile

Communication mobile

Amplificateur audio

Convertisseur DC-DC

Electronique analogique

Microélectronique

Technologie CMOS

Telecommunications

Mobile communication

Audio amplifier

DC-to-DC converter

Analog Electronics

Microelectronics

CMOS Technology

Résumé

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales.

The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.