L'équipe de design analogique et mixte de Freescale à Toulouse conçoit des circuits intégrés dédiés au marché de l'automobile, qu'ils soient des ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) ou des produits « standards», pour des applications châssis, moteur, sécurité, confort et loisirs. Les contraintes associées à l'embarquement des circuits dans les véhicules sont nombreuses : niveau d'intégration, coût, fiabilité, qualification pour un fonctionnement à des températures élevées, et problématiques CEM (compatibilité électromagnétique).
De nombreux produits conçus par Freescale intègrent des circuits dédiés à l'alimentation de charges diverses, telles que des microcontrôleurs embarqués, capteurs, ou dispositifs électromécaniques. Ces convertisseurs offrent une tension de sortie allant de 1.2V à 7V, pour un courant de charge de l'ordre de l'ampère. Ils sont connectés en entrée à la batterie automobile, dont la tension peut varier de 4V (démarrage) à 40V (« load dump »). Le besoin d'un rendement élevé a rendu obligatoire l'utilisation de structures à découpage au détriment des régulateurs linéaires pour bon nombre d'applications. Ce choix se fait au prix d'éléments de filtrage passifs externes volumineux et coûteux. L'augmentation des courants d'alimentation et la multiplication des circuits embarqués connectés à la même batterie induisent des contraintes en émissions conduites en entrée très sévères. Ces contraintes créent un besoin d'étude de nouvelles topologies et de méthodes d'optimisation pour des systèmes plus performants, moins encombrants et moins émissifs.
Cette thèse a pour objet l'étude et la comparaison de topologies de convertisseurs intégrés non isolés et unidirectionnelles en courant pour s'affranchir des limitations des topologies basiques à cellule de commutation unique. L'étude compare sur trois points principaux (encombrement, émissions conduites, rendement) trois topologies de convertisseur abaisseur de tension Buck : deux topologies à commutation douce quasi-résonantes ZVS (Zero Voltage Switching) et ZCS (Zero Current Switching), et la structure Buck à N phases parallèles entrelacées à inductances de sortie non couplées. L'étude montre que les topologies à commutation douce présentent des pertes en conduction trop fortes lorsqu'elles sont mises en œuvre pour une application présentant une tension d'entrée pouvant fortement varier et un courant de charge variable (0A-1A). La structure parallèle répond en revanche à la problématique de réduction de l'encombrement des passifs de filtrage et à l'augmentation des performances électriques. L'étude des émissions conduites en entrée pour les convertisseurs à N bras en parallèle met en évidence que l'augmentation du nombre de bras permet également la réduction de l'amplitude des perturbations harmoniques à haute fréquence issues des transitoires de commutation.
La topologie multiphase répond donc à l'ensemble des problématiques soulevées. Un convertisseur démonstrateur avec cinq bras en parallèle est réalisé. Une puce développée en technologie Freescale BiCMOS 0.25µm haute tension appelée smartmos8 intègre l'ensemble des composants silicium de puissance (cellules de commutation réversibles en courant, drivers, alimentation des drivers). L'encombrement des composants passifs externes de filtrage est optimisé. Les phases sont commandées à une fréquence de 1MHz par une puce du commerce Intersil. Le prototype sur circuit imprimé présente des émissions conduites compatibles avec la norme IEC6196-4 malgré la compacité du dispositif de filtrage.
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The Freescale analog design team in Toulouse develops integrated circuits for automotive application: ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) or standard products for chassis, engine, safety or infotainment application. Constraints associated with the embodiment of such circuits are many: die-size, cost, safety, qualification for hot temperature, and EMC (Electromagnetic Compliance).
In most ICs (Integrated Circuits), power supplies are embedded. They supply power to embedded microcontroller, sensors or electromecanic devices. In these low-power automotive applications, power converters have an output voltage in a range between 1.2V to 7V, for a load current up to 1A. Power is supplied by the car battery whose voltage can vary from 4V (car start) to 40V (load dump). The need of high efficiency makes the use of SMPS (Switch Mode Power Supply) mandatory, while it implies voluminous passive devices for filtering. The evolution and the increase of electronic circuits connected to the same battery node imply very harsh Conducted Emission (CE) constraints. This creates the need for new converter topologies study and for optimization methods, for more efficient and less emissive converters.
This PhD thesis is to study and compare advanced non isolated converter topologies, to challenge the limitations of the basic single-phase converter. Three Buck topologies are compared on three points: efficiency, volume of the filters, and conducted emissions at the input. These topologies are two quasi-resonant Buck converters with soft switching, ZVS (Zero Voltage Switching) and ZCS (Zero Current Switching), and the multiphase Buck with “N” interleaved cells in parallel. The study shows that conduction losses are too high in quasi-resonant converters sized for this kind of application, because of the wide range of the input voltage. In contrast, multiphase Buck converters respond to the need of improved efficiency and the need of reduced filters. The study of the conducted emission level at the input of multiphase Buck converters shows that the elevation of the number of cells in parallel allows the reduction of the high frequency disturbances magnitude.
The interleaved multiphase topology responds to the all three raised challenges of the thesis. A prototype with five interleaved cells in parallel is produced. A chip is developed in the Freescale smartmos8 0.25µm BiCMOS technology. It integrates all the silicium power devices: switches, drivers, and linear power supplies for the drivers. The volume of the external filter are optimized. Cells are controlled by 1MHz PWM signals from an external chip from Intersil. All the devices are mounted on a four layers PCB. The prototype shows a very low level of conducted emissions at the input despite the low volume of the filtering passive components.
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