Scalability of Quasi-hysteretic FSM-based Digitally Controlled Single-inductor Dual-string Buck LED Driver To Multiple Strings

There has been growing interest in Single-Inductor Multiple-Output (SIMO) DC-DC converters due to its reduced cost and smaller form factor in comparison with using multiple single-output converters. An application for such a SIMO-based switching converter is to drive multiple LED strings in a multi-channel LED display. This paper proposes a quasi-hysteretic FSM-based digitally controlled Single-Inductor Dual-Output (SIDO) buck switching LED Driver operating in Discontinuous Conduction Mode (DCM) and extends it to drive multiple outputs. Based on the time-multiplexing control scheme in DCM, a theoretical upper limit of the total number of outputs in a SIMO buck switching LED driver for various backlight LED current values can be derived analytically. The advantages of the proposed SIMO LED driver include reducing the controller design complexity by eliminating loop compensation, driving more LED strings without limited by the maximum LED current rating, performing digital dimming with no additional switches required, and optimization of local bus voltage to compensate for variability of LED forward voltage (VF) in each individual LED string with smaller power loss. Loosely-binned LEDs with larger VF variation can therefore be used for reduced LED costs.postprin

Battery-sourced switched-inductor multiple-output CMOS power-supply systems

Wireless microsystems add intelligence to larger systems by sensing, processing and transmitting information which can ultimately save energy and resources. Each function has their own power profile and supply level to maximize performance and save energy since they are powered by a small battery. Also, due to its small size, the battery has limited energy and therefore the power-supply system cannot consume much power. Switched-inductor converters are efficient across wide operating conditions but one fundamental challenge is integration because miniaturized dc-dc converters cannot afford to accommodate more than one off-chip power inductor. The objective of this research is to explore, develop, analyze, prototype, test, and evaluate how one switched inductor can derive power from a small battery to supply, regulate, and respond to several independent outputs reliably and accurately. Managing and stabilizing the feedback loops that supply several outputs at different voltages under diverse and dynamic loading conditions with one CMOS chip and one inductor is also challenging. Plus, since a single inductor cannot supply all outputs at once, steady-state ripples and load dumps produce cross-regulation effects that are difficult to manage and suppress. Additionally, as the battery depletes the power-supply system must be able to regulate both buck and boost voltages. The presented system can efficiently generate buck and boost voltages with the fastest response time while having a low silicon area consumption per output in a low-cost technology which can reduce the overall size and cost of the system.Ph.D

Power Management Circuits for Energy Harvesting Applications

Energy harvesting is the process of converting ambient available energy into usable electrical energy. Multiple types of sources are can be used to harness environmental energy: solar cells, kinetic transducers, thermal energy, and electromagnetic waves. This dissertation proposal focuses on the design of high efficiency, ultra-low power, power management units for DC energy harvesting sources. New architectures and design techniques are introduced to achieve high efficiency and performance while achieving maximum power extraction from the sources. The first part of the dissertation focuses on the application of inductive switching regulators and their use in energy harvesting applications. The second implements capacitive switching regulators to minimize the use of external components and present a minimal footprint solution for energy harvesting power management. Analysis and theoretical background for all switching regulators and linear regulators are described in detail. Both solutions demonstrate how low power, high efficiency design allows for a self-sustaining, operational device which can tackle the two main concerns for energy harvesting: maximum power extraction and voltage regulation. Furthermore, a practical demonstration with an Internet of Things type node is tested and positive results shown by a fully powered device from harvested energy. All systems were designed, implemented and tested to demonstrate proof-of-concept prototypes

Contributions to impedance shaping control techniques for power electronic converters

El conformado de la impedancia o admitancia mediante control para convertidores electrónicos de potencia permite alcanzar entre otros objetivos: mejora de la robustez de los controles diseñados, amortiguación de la dinámica de la tensión en caso de cambios de carga, y optimización del filtro de red y del controlador en un solo paso (co-diseño). La conformación de la impedancia debe ir siempre acompañada de un buen seguimiento de referencias. Por tanto, la idea principal es diseñar controladores con una estructura sencilla que equilibren la consecución de los objetivos marcados en cada caso. Este diseño se realiza mediante técnicas modernas, cuya resolución (síntesis del controlador) requiere de herramientas de optimización. La principal ventaja de estas técnicas sobre las clásicas, es decir, las basadas en soluciones algebraicas, es su capacidad para tratar problemas de control complejos (plantas de alto orden y/o varios objetivos) de una forma considerablemente sistemática. El primer problema de control por conformación de la impedancia consiste en reducir el sobreimpulso de tensión ante cambios de carga y minimizar el tamaño de los componentes del filtro pasivo en los convertidores DC-DC. Posteriormente, se diseñan controladores de corriente y tensión para un inversor DC-AC trifásico que logren una estabilidad robusta del sistema para una amplia variedad de filtros. La condición de estabilidad robusta menos conservadora, siendo la impedancia de la red la principal fuente de incertidumbre, es el índice de pasividad. En el caso de los controladores de corriente, el impacto de los lazos superiores en la estabilidad basada en la impedancia también se analiza mediante un índice adicional: máximo valor singular. Cada uno de los índices se aplica a un rango de frecuencias determinado. Finalmente, estas condiciones se incluyen en el diseño en un solo paso del controlador de un convertidor back-to-back utilizado para operar generadores de inducción doblemente alimentados (aerogeneradores tipo 3) presentes en algunos parques eólicos. Esta solución evita los problemas de oscilación subsíncrona, derivados de las líneas de transmisión con condensadores de compensación en serie, a los que se enfrentan estos parques eólicos. Los resultados de simulación y experimentales demuestran la eficacia y versatilidad de la propuesta.Impedance or admittance shaping by control for power electronic converters allows to achieve among other objectives: robustness enhancement of the designed controls, damped voltage dynamics in case of load changes, and grid filter and controller optimization in a single step (co-design). Impedance shaping must always be accompanied by a correct reference tracking performance. Therefore, the main idea is to design controllers with a simple structure that balance the achievement of the objectives set in each case. This design is carried out using modern techniques, whose resolution (controller synthesis) requires optimization tools. The main advantage of these techniques over the classical ones, i.e. those based on algebraic solutions, is their ability to deal with complex control problems (high order plants and/or several objectives) in a considerably systematic way. The first impedance shaping control problem is to reduce voltage overshoot under load changes and minimize the size of passive filter components in DC-DC converters. Subsequently, current and voltage controllers for a three-phase DC-AC inverter are designed to achieve robust system stability for a wide variety of filters. The least conservative robust stability condition, with grid impedance being the main source of uncertainty, is the passivity index. In the case of current controllers, the impact of higher loops on impedance-based stability is also analyzed by an additional index: maximum singular value. Each of the indices is applied to a given frequency range. Finally, these conditions are included in the one-step design of the controller of a back-to-back converter used to operate doubly fed induction generators (type-3 wind turbines) present in some wind farms. This solution avoids the sub-synchronous oscillation problems, derived from transmission lines with series compensation capacitors, faced by these wind farms. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness and versatility of the proposa

Design of a hysteresis predictive control strategy with engineering application cases

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al 31 de juliol de 2022This doctoral thesis exposes the development of a redesigned Predictive Control strategy that uses hysteresis to improve the performance of the controlled systems in different fields of application. The approach may use one of the three hysteresis models presented in this thesis. Moreover, the hysteresis may be used as a modulation stage or as a reference trajectory generator. The first step in the methodology of this research will be to validate the hysteresis dynamic model that will be used within the control scheme. Due to the three exposed hysteresis models have the same constitution , it is assumed that the test of one is enough to guarantee the validation of the other two hysteresis systems. This validation consists on implementing the hysteresis model in an experimental platform to confirm that the model is indeed feasible. Later, it will be seen that this application is within the scope of renewable energies. Once the hysteresis model is validated, the proposed strategy is developed. This is an Adaptive-Predictive control scheme with a modulation stage for the control signal. This stage employs hysteresis to improve the functioning of the adaptive phase and in general the entire closed-loop performance. lt will be shown how the use of this modulation scenario salves the parametric drift problem commonly present in some adaptive based controlled systems. Additionally, a fault detection system within the Adaptive-Predictive control scheme is also proposed and validated through a numerical simulation. Furthermore, it will be seen how the hysteresis also can be used as a model to generate the reference trajectory needed to accomplish the control objective. Finally, the proposed strategy is implemented in a varied set of control systems to validate it. These control systems are: a nonlinear Van der Poi oscillator, a nonlinear base-isolated system, a DC-DC buck converter, and a single-phase inverter.Esta tesis doctoral expone el desarrollo de una estrategia de Control Predictivo rediseñada que utiliza histéresis para mejorar el rendimiento de los sistemas controlados en diferentes campos de aplicación. Este esquema de control puede utilizar uno de los tres sistemas de histéresis presentados en esta tesis. Además, la histéresis se puede utilizar como etapa de modulación o como generador de trayectorias de referencia. El primer paso en la metodología de esta investigación será validar el modelo dinámico de histéresis que se utilizará dentro del esquema de control. Debido a que los tres modelos de histéresis expuestos tienen la misma constitución, se asume que la prueba de uno es suficiente para garantizar la validación de los otros dos modelos de histéresis. Esta validación consiste en implementar el modelo de histéresis en una plataforma experimental para confirmar que este es realmente factible. Posteriormente, se verá que esta aplicación está dentro del ámbito de las energias renovables. Una vez validado el modelo de histéresis, se desarrolla la estrategia propuesta. Es decir, un esquema de control Adaptativo-Predictivo con una etapa de modulación para la señal de control. Esta etapa emplea histéresis para mejorar el funcionamiento de la fase adaptativa y, en general, de todo el rendimiento del sistema en lazo cerrado. Se mostrará cómo el uso de este etapa de modulación resuelve el problema de la deriva paramétrica comúnmente presente en algunos sistemas basados en control adaptativo. Adicionalmente, también se propone y valida un sistema de detección de fallos dentro del esquema de control Adaptativo-Predictivo mediante una simulación numérica. Además, se verá cómo la histéresis también se puede utilitzar como modelo para generar la trayectoria de referencia necesaria para lograr el objetivo de control. Finalmente, la estrategia propuesta se implementa en un conjunto variado de sistemas de control para validarla. Estos sistemes de control son: un oscilador Van der Poi no lineal, un sistema no lineal de base aisladora, un convertidor Buck DC-DC y un inversor monofásico.Postprint (published version

Development of an acoustic measurement system of the Modulus of Elasticity in trees, logs and boards

The objective of this Bachelor’s Thesis is to develop a portable electronic device capable of quantifying the stiffness of the wood of standing trees, logs and boards using non-destructive testing (NDT) by means of acoustic wave analysis. As an indicator of stiffness, the Modulus of Elasticity (MOE) is used, a standard figure in the industry. This way, wood from forestry can be characterized and classified for different purposes. This Thesis is part of LIFE Wood For Future, a project of the University of Granada (UGR) financed by the European Union’s LIFE programme. LIFE Wood For Future aims to recover the cultivation of poplar (populus sp.) in the Vega de Granada, by proving the quality of its wood through innovative structural bioproducts. Recovering the poplar groves of Granada would have great benefits for the Metropolitan Area: creation of local and sustainable jobs, improvement of biodiversity, and increase in the absorption of carbon dioxide in the long term, helping to reduce the endemic air pollution of Granada. This Final Degree Project has been developed in collaboration with the ADIME research group of the Higher Technical School of Building Engineering (ETSIE) and the aerospace electronics group GranaSat of the UGR. The goal of the developed device, named Tree Inspection Kit (or TIK), is to be an innovative, portable and easy-to-use tool for non-destructive diagnosis and classification of wood by measuring its MOE. TIK is equipped with the necessary electronics to quantify the Time of Flight (ToF) of an acoustic wave that propagates inside a piece of wood. In order to do this, two piezoelectric probes are used, nailed in the wood and separated a given distance longitudinally. The MOE can be derived from the propagation speed of the longitudinal acoustic wave if the density of the is known. For this reason, this device has the possibility of connecting a load cell for weighing logs or boards to estimate their density. It also has an expansion port reserved for future functionality. A methodology based on the Engineering Design Process (EDP) has been followed. The scope of this project embraces all aspects of the development of an electronic product from start to finish: conceptualization, specification of requirements, design, manufacture and verification. A project of this reach requires planning, advanced knowledge of signal analysis, electronics, design and manufacture of Printed Circuit Boards (PCB) and product design, as well as the development of a firmware for the embedded system, based on a RTOS. Prior to the design of the electronics, a Reverse Engineering process of some similar products of the competition is performed; as well as an exhaustive analysis of the signals coming from the piezoelectric sensors that are going to be used, and the frequency response characterization of the piezoelectric probes themselves. This project has as its ultimate goal the demonstration of the multidisciplinary knowledge of engineering, and the capacity of analysis, design and manufacturing by the author; his skill and professionalism in CAD and EDA software required for these tasks, as well as in the documentation of the entire process.El presente Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo el desarrollo de un dispositivo electrónico portátil capaz de cuantificar la rigidez de la madera de árboles en pie, trozas y tablas usando ensayos no destructivos (Non-Destructive Testing, NDT) por medio del análisis de ondas acústicas. Como indicador de la rigidez se usa el Módulo de Elasticidad (MOE), una figura estándar en la industria. Este TFG forma parte de LIFE Wood For Future, un proyecto de la Universidad de Granada (UGR) financiado por el programa LIFE de la Unión Europea. LIFEWood For Future tiene como objetivo recuperar el cultivo del chopo (populus sp.) en la Vega de Granada demostrando la viabilidad de su madera a través de bioproductos estructurales innovadores. Recuperar las choperas de Granada tendría grandes beneficios para la zona del Área Metropolitana: creación de puestos de trabajo locales y sostenibles, mejora de la biodiversidad, e incremento de la tasa de absorción de dióxido de carbono a largo plazo, contribuyendo a reducir la contaminación endémica del aire en Granada. Este Trabajo de Fin de Grado se ha desarrollado con la colaboración del grupo de investigación ADIME de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Edificación (ETSIE) y el grupo de electrónica aeroespacial GranaSat de la UGR. El objetivo del dispositivo, denominado Tree Inspection Kit (TIK), es ser una herramienta innovadora, portátil y fácil de usar para el diagnóstico y clasificación no destructiva de la madera por medio de su MOE. TIK está dotado de la electrónica necesaria para medir el tiempo de tránsito (ToF) de una onda acústica que se propaga en el interior de una pieza de madera. Para ello, se utilizan dos sondas piezoeléctricas clavadas en la madera y separadas longitudinalmente una distancia conocida. De la velocidad de propagación de la onda longitudinal se puede derivar el MOE, previo conocimiento de la densidad del material. Por ello, este dispositivo cuenta con la posibilidad de conectarle una célula de carga y pesar trozas o tablas para estimar su densidad. También tiene un puerto de expansión reservado para funcionalidad futura. Se ha seguido una metodología basada en el Proceso de Diseño de Ingeniería (Engineering Design Process, EDP), abarcando todos los aspectos del desarrollo de un producto electrónico de principio a fin: conceptualización, especificación de requisitos, diseño, fabricación y verificación. Un proyecto de este alcance requiere de planificación, conocimientos avanzados de análisis de señales, de electrónica, de diseño y fabricación de Placas de Circuito Impreso (PCB) y de diseño de producto, así como el desarrollo de un firmware para el sistema empotrado, basado en un RTOS. Previo al diseño de la electrónica, se realiza un proceso de Ingeniería Inversa (Reverse Engineering) de algunos productos similares de la competencia; al igual que un exhaustivo análisis de las señales provenientes de los sensores piezoeléctricos que van a utilizarse y la caracterización en frecuencia de las propias sondas piezoeléctricas. Este proyecto tiene como fin último la demostración de los conocimientos multidisciplinares propios de la ingeniería y la capacidad de análisis, diseño y fabricación por parte del autor; su habilidad y profesionalidad en el software CAD y EDA requerido para estas tareas, así como en la documentación de todo el proceso.Unión Europe

Técnicas de control para la mejora de la estabilidad en redes eléctricas DC con convertidores operando a potencia constante

Some electrical devices in direct current (DC) networks, under certain operating characteristics, behave as constant power loads (CPLs). This behavior is defined by presenting negative incremental resistance, compromising the stability of the supply networks. The current evolution of electrical networks favors the proliferation and increase of this unstable behavior. In this research, a stability analysis method is presented that allows verifying a sufficient condition for the local stability of linear and time invariant DC circuits with CPLs, for all possible equilibria of the system that arise when varying the power consumed by the CPLs. Furthermore, this method is expressed by linear matrix inequalities that can be verified by convex programming. It is also proposed to connect a stabilizing device in parallel, given an accessible connection port in the electrical network, which through an adequate control law, allows ensuring the local stability of linear and time-invariant DC networks with CPLs. The techniques used to obtain the control law have been H8 control, self-tuning control, and non-linear control. In addition, it is shown that the proposed solution meets the objectives established a priori, based on the worst-case regarding the system stability, through numerical results in simulation and experimental results obtained in a prototype plant designed and built within the framework of this research.Algunos dispositivos eléctricos de las redes de corriente continua (DC), bajo determinadas características de funcionamiento, se comportan como cargas de potencia constante (CPLs). Este comportamiento, se define por presentar resistencia incremental negativa, comprometiendo la estabilidad de las redes de suministro. La evolución actual de las redes eléctricas, favorece la proliferación y aumento de este comportamiento inestable. En esta investigación, se presenta un método de análisis de estabilidad que permite comprobar una condición suficiente para la estabilidad local de circuitos de DC lineales e invariantes en el tiempo con CPLs, para todos los posibles equilibrios del sistema que surgen al variar la potencia consumida por las CPLs. Además, este método se expresa en forma de desigualdades matriciales lineales que pueden ser verificadas mediante programación convexa. También se propone la conexión de un dispositivo estabilizador en paralelo, dado un puerto de conexión accesible en la red eléctrica, que mediante una ley de control adecuada, permita asegurar la estabilidad local de redes de DC lineales e invariantes en el tiempo con CPLs. Las técnicas utilizadas en la obtención de la ley de control han sido control H8, control autosintonizado y control no lineal. Además, se demuestra que la solución propuesta cumple los objetivos establecidos a priori, basados en el peor caso respecto a la estabilidad del sistema, mediante resultados numéricos en simulación y resultados experimentales obtenidos en una planta prototipo diseñada y construida en el marco de este trabajo de investigación.Postprint (published version