Design and modeling of a digital controller for multi mode DC-DC convertes

Convertitori dc-dc in grado di fornire una elevata efficienza per un ampio intervallo di valori di carico trovano il loro impiego in tutte quelle applicazioni dove dispositivi alimentati a batteria vengono utilizzati. In particolare, l’ottimizzazione dell’efficienza di tali convertitori per basse correnti di carico `e uno degli argomenti pi`u stimolanti nella progettazione di convertitori dc-dc. Nei convertitori multi-modo tale efficienza viene massimizzata mediante l’utilizzo di strategie di controllo diverse in funzione della corrente di uscita. In quest’ambito, il controllo di convertitori a commutazione `e tradizionalmente ottenuto per via analogica tramite l’impiego di circuiti integrati dedicati. Tuttavia, mano a mano che i sistemi di potenza diventano sempre pi`u complessi e spesso costituiti a loro volta da sotto-sistemi fra loro interagenti, il classico concetto di controllo si `e gradualmente evoluto nella pi`u generale tematica del power management, richiedendo funzionalit`a difficilmente implementabili nei controllori analogici. L’elevata flessibilit`a offerta dai controllori digitali e la loro predisposizione ad implementare sofisticate strategie di controllo, insieme alla programmabilit`a dei parametri del controllore, fanno del controllo digitale una attraente alternativa per il miglioramento delle prestazioni dei convertirori dc-dc multi-modo. Tuttavia, il punto debole pi`u evidente di un controllore digitale risiede nelle prestazioni dinamiche a catena chiusa da esso ottenibili. I tempi impiegati per la conversione analogico-digitale della grandezza da controllare, i ritardi di calcolo cos`ı come i ritardi associati al campionamento pongono limiti severi alla massima banda di controllo ottenibile in un convertitore controllato digitalmente. Ulteriori limitazioni sono inoltre imposte dagli effetti di quantizzazione nella catena di controllo. Per le ragioni sopra esposte, la realizzazione di controllori digitali in grado di essere competitivi (in termini di prestazioni dinamiche) rispetto alle classiche soluzioni analogiche `e materia di 3 intensa attivit`a scientifica nonch´e interesse industriale. Inoltre, sebbene il controllo digitale appare capace di soddisfare le esigenze sopra menzionate, i convertitori dc-dc a controllo analogico dominano ancora il mercato. Infatti, il controllo digitale di convertitori dc-dc soffre della mancanza del solido know-how posseduto dai controllori analogici, risultando cos`ı meno accessibile. Questo lavoro di tesi si inquadra nel contesto cos`ı delineato. L’attivit`a principale svolta riguarda la progettazione e simulazione di controllori dc-dc a controllo digitale con l’obbiettivo di studiare l’ottimizzazione dell’efficienza per piccole correnti di carico. In questa tesi la struttura di un controllore digitale multi-modo per convertitori a basso costo e bassa consumo di potenza `e presentata. Criteri decisionali sulla scelta della strategia di controllo a seconda delle condizioni di carico sono proposti e testati su prototipo sperimentale di convertitore dc-dc dove il controllo digitale `e implementato in una FPGA. Inoltre, lo sviluppo di un modello a larghi segnali a tempo discreto dello stadio di potenza del convertitore, studiato appositamente per modellizzare il comportamento del convertitore nel passaggio da una strategia di controllo all’altra, costituisce un utile strumento per la progettazione di convertitori a commutazione sulla base dei criteri decisionali proposti, mettendo in luce le problematiche della progettazione di sistemi per il power management.