Conception de convertisseurs DC/DC à base de MEMS

Abstract

La tendance actuelle vers la miniaturisation des circuits électroniques a poussé vers ledéveloppement des systèmes sur puce (SoC : System on Chip) contenant plusieurs composants. Cescomposants réalisant des fonctions variées, ont besoin de différentes tensions d alimentation fourniesà l aide de plusieurs convertisseurs DC/DC connectés à l alimentation du SoC. Actuellement, laplupart des circuits électroniques dans les applications portables contiennent des convertisseursDC/DC conventionnels utilisant une inductance pour stocker transitoirement l énergie électrique.L inductance étant un composant passif difficilement intégrable, ces convertisseurs sontconnectés à l extérieur de la puce. Une alternative aux convertisseurs conventionnels est leconvertisseur à capacités commutés, qui a l avantage d être facilement intégrable sur silicium.Toutefois, il présente des limitations à cause de la dépendance du facteur de conversion avec lenombre de condensateurs. De plus, les pertes inhérentes à la charge et à la décharge descondensateurs font diminuer son rendement. Il est donc intéressant de trouver une nouvellealternative pour concevoir un convertisseur DC/DC compact et performant afin d obtenir un circuitélectronique complètement intégrable sur silicium.Le sujet de cette thèse répond au besoin d une nouvelle méthode de conversion DC/DCintégrable sur silicium et à haut rendement. L idée est d utiliser une capacité variable mécaniquementà la place d une inductance pour stocker l énergie électrique transitoire. Le condensateur variable serafabriqué par des procédés de fabrication de microsystème MEMS sur silicium ce qui permet d intégrerla totalité du convertisseur.Dans ce mémoire, nous expliquons tout d abord le principe et le fonctionnement d un abaisseur etd un élévateur de tension utilisant notre nouvelle approche. Par la suite, nous présentons laconception et la fabrication d'un MEMS adapté à la conversion de tension. Finalement, nousexpliquons notre méthode de contrôle utilisant une commutation à zéro de tension. Le rendement d'unélévateur 10V-20V obtenu par simulation est de l ordre de 88% lorsque la gestion électrique estréalisée avec des composants discrets. Ce rendement très prometteur, devrait être amélioré dans lefutur lorsque tout le système sera intégré sur silicium.Current trends towards miniaturization of electronic circuits had led to the advent of System onChip containing different types of circuits indented to perform different functions. These sub-systemsrequire different supply voltages that are delivered from the SoC supply voltage using several DC/DCconverters. Currently, most of the electronic circuits of portable applications use conventional SMPS(switch mode power supply) DC/DC converters containing an inductor element to stock temporally theelectrical energy.In this case the converter is outside the chip since the integration of the inductor is very difficultand that resistive losses increase when the coil diameter decreases. The alternative to use switchedcapacitor converters, which can be easily integrated on silicon, presents some limitations because ofthe dependence of the required number of capacitors on the conversion ratio, and because ofswitching losses due to the charge and the discharge of the capacitors inducing a decrease of theconversion efficiency. For that reason, it is interesting to develop a new alternative that allows thefabrication of a compact and efficient DC/DC converter in order to get a completely integrated system.This thesis focuses on a novel solution based on electrostatic MEMS in order to make anintegrated DC/DC converter with high efficiency. A mechanically variable capacitor is used instead ofthe inductor element to store the transient electrical energy. The variable capacitor is fabricated byMEMS micromachining process techniques compatible with CMOS process integration.In this work, we explain the principle and the operation of a step down and a step-up converterusing our novel approach through an energetic analysis, we design a MEMS device optimized withrespect to the voltage conversion application, and we present our converter control method using azero voltage switching technique. An efficiency of almost 88% was obtained by simulation of a 10V-20V converter, when the power management circuitry was considered with discrete elements; thisefficiency is promising and could be improved when the whole system will be integrated on silicon.:SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF