Conversion bidirectionnelle de tension DC pour applications de faible puissance

Bidirektionale DC-Spannungswandlung für Kleinleistungsanwendungen

Bidirectional DC voltage conversion for low power applications

• Auteur / Autrice : Vincent Lorentz
• Direction : Francis Braun, Heiner Ryssel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008) en cotutelle avec Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg - Allemagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles électriques

Convertisseurs électriques

Résumé

Cette thèse se focalise sur la conversion de tension utilisée dans l’équipement mobile. Le concept présenté combine le convertisseur de tension avec l’unité de gestion de l’énergie en constituant un convertisseur de puissance intelligent (IPC) intégré dans la batterie et capable de fournir une tension régulée et ajustable, adaptable à tout équipement mobile. L’IPC doit permettre un flux d’énergie bidirectionnel car la batterie doit être rechargée. L’IPC a été conçu, simulé, tracé dans le layout et fabriqué avec une finesse de gravure de 0. 18μm dans une technologie mixed-signal CMOS de UMC. L’IPC possède une tension de fonctionnement de 1. 2V-3. 6V, un courant continu maximum de 2000mA, et une fréquence de fonctionnement de 100kHz-10MHz. Des solutions nouvelles ont été développées pour l’IPC. Premièrement, une méthode pour détecter automatiquement le chargeur de batterie a été développée. Deuxièmement, une boucle de régulation continue a été développée. Elle permet d’augmenter ou de diminuer la tension à convertir dans les deux directions et à des fréquences élevées. Troisièmement, le dimensionnement dynamique de MOSFET a été développé pour maximiser l’efficacité de conversion à faible charge. Quatrièmement, une méthode d’estimation du courant moyen à travers l’inductance a été développée pour des fréquences jusqu’à 10MHz. Cinquièmement, une interface I2C a été implémentée pour permettre la configuration de l’unité de gestion de l’énergie. Comme la batterie intelligente contient un système de management de batterie et offre une tension ajustable, elle peut être facilement remplacée. L’upgrade des batteries devient possible, et l’autonomie des équipements mobiles est allongée.

This thesis focuses on the voltage conversion used in mobile equipment. The novel concept exposed consists in combining the voltage conversion unit with the battery management unit, thus building an intelligent power converter (IPC), that is integrated into the battery and is able to provide a regulated and adjustable voltage directly to the mobile equipment, thus making it adaptable to every mobile equipment. Because the battery must also be recharged, the IPC must allow a bidirectional energy flow. The IPC has been designed, simulated, laid-out and manufactured in a 0. 18 μm mixed-signal CMOS technology from UMC. The IPC requires an operating voltage between 1. 2V-3. 6V, an average load current up to 2000mA, and an operating frequency in the range of 100kHz-10MHz. Novel solutions were developed for the IPC. First, a method was developed for detecting automatically the connection of a battery charger in parallel to the load. Second, a continuous regulation loop was developed, which enables highly efficient step-up and step-down conversion in both directions and at high switching frequencies. Third, dynamic MOSFET sizing was developed, to maximize the conver-sion efficiency at light load. Fourth, a current sensing method has been developed for estimating the average inductor current at switching frequencies up to 10MHz. Fifth, an I2C interface was imple-mented, to enable digital programming of the battery management. Since the intelligent battery contains a battery management and provides an adjustable voltage, it can be easily replaced. This enables battery upgrading, so that the operating time of the mobile equipment is extended.