Convertitori DC-DC integrati con controllo digitale per sistemi di alimentazione distribuiti

Sommario

L’ambito applicativo del progetto riguarda i sistemi di alimentazione distribuiti per server e apparati di rete, dove la continua diminuzione della tensione di alimentazione (fino a livelli intorno al volt), il sensibile aumento delle correnti assorbite (da 80 A a 190 A per i microprocessori) e la necessita’ di alte efficienze richiedono soluzioni modulari ad elevate prestazioni. Le architetture digitali sono in grado di soddisfare un mercato che richiede controllori sempre più complessi e riconfigurabili, costi bassi e rapido time-to-market, capacità di comunicazione verso l’esterno per le operazioni di gestione della potenza erogata.
Le attività di ricerca sono riassumibili nei seguenti punti:

• progetto di nuove architetture di controllo fully digital e mixed-signal;
• progetto di nuove topologie di conversione ad alta efficienza;
• progetto di convertitori integrati in tecnologia mista Bipolare-CMOS-DMOS (BCDVI).

Le attivita’ sono svolte nell’ambito di collaborazioni con ST Microelectronics (Agrate e Castelletto) e con le Universita’ di Udine e Padova. L’integrazione del controllore digitale per convertitori buck multifase in tecnologia BCD VI e’ attualmente in fase di ultimazione. Il controllore integrato sara’ compatibile con il protocollo di comunicazione PMbus. Contestualmente si sta sviluppando una piattaforma digitale estremamente flessibile, basata su un core DSP e un convertitore DPWM, facilmente adattabile a diversi tipi di convertitori (symmetric Half bridge, Phase shift full bridge ecc.).

Risultati del progetto ed eventuali pubblicazioni scientifiche/brevetti

Uno dei maggiori risultati del progetto consiste nello sviluppo di architetture digitali miste sincrone/asincrone, oggetto di brevetto, utilizzate per il controllo di convertitori non isolati (buck multifase per applicazioni VRM, boost) e isolati (convertitori full-bridge).
Questi controllori sono stati prototipati su piattaforma FPGA, dimostrando una eccellente immunita’ agli effetti di quantizzazione e prestazioni dinamiche paragonabili a quelle dei migliori controllori analogici.

Pubblicazioni più significative

• Saggini, S.; Ghioni, M.; Geraci, A. “An innovative digital control architecture for low-Voltage, high-current DC-DC converters with tight voltage regulation” IEEE Transactions On Power Electronics, vol. 19, 210 - 218, 2004 (cui è stato assegnato il “PELS TRANSACTIONS PRIZE PAPER AWARD” come migliore articolo pubblicato sulla rivista IEEE Transaction on Power Electronics nel 2004).
• W. Stefanutti, P. Mattavelli, S. Saggini, M. Ghioni, “Autuning of digitally controlled buck converters based on relay feedback” IEEE Transactions on Power Electronics, in press (2006).

Brevetti

• S. Saggini, M. Ghioni, A. Geraci, F. Villa “Digital controller for DC-DC switching converters”, US Patent n. 2004/005151A1, Mar. 18 2004.
• G. Garcea, M. Ghioni, C. Beia, S. Saggini, F. Villa, “Method for controlling a full bridge converter with a current-doubler and a corresponding digital controller”, European Patent n. EP 05022044.1, 10.10.2005.