Switching mode power amplifier for bluetooth applications

Modern fully integrated transceivers architectures, require circuits with low area, low cost, low power, and high efficiency. A key block in modern transceivers is the power amplifier, which is deeply studied in this thesis. First, we study the implementation of a classical Class-A amplifier, describing the basic operation of an RF power amplifier, and analysing the influence of the real models of the reactive components in its operation. Secondly, the Class-E amplifier is deeply studied. The different types of implementations are reviewed and theoretical equations are derived and compared with simulations. There were selected four modes of operation for the Class-E amplifier, in order to perform the implementation of the output stage, and the subsequent comparison of results. This led to the selection of the mode with the best trade-off between efficiency and harmonics distortion, lower power consumption and higher output power. The optimal choice was a parallel circuit containing an inductor with a finite value. To complete the implementation of the PA in switching mode, a driver was implemented. The final block (output stage together with the driver) got 20 % total efficiency (PAE) transmitting 8 dBm output power to a 50 W load with a total harmonic distortion (THD) of 3 % and a total consumption of 28 mW. All implementations are designed using standard 130 nm CMOS technology. The operating frequency is 2.4 GHz and it was considered an 1.2 V DC power supply. The proposed circuit is intended to be used in a Bluetooth transmitter, however, it has a wider range of applications.

A single director switching mode for monodomain liquid crystal elastomer

We report rotation of a single director in a nematic monodomain, acrylate based side-chain elastomer which was subjected to mechanical fields applied at angles in the range to the director, , present at the time of network formation. Time and spatially resolving wide angle X-ray scattering, together with polarised light microscopy measurements revealed a pronounced, almost discontinuous switching mode at a critical extension as the strain was applied at angles approaching to , whereas a more continuous rotation was seen when the strain was applied at more acute angles. This director reorientation was more or less uniform across the complete sample and was accompanied by a modest decrease in orientation parameter . At strains sufficient to induce switching there was some continuous distribution of director orientations with fluctuations of 10 although there was no evidence for any localised director inhomogenities such as domain formation. The observed deformation behaviour of these acrylate-based nematic monodomains was in accord with the predictions of a theory developed by Bladon et al., in that the complete set of data could be accounted for through a single parameter describing the chain anisotropy. The experimentally deduced chain anisotropy parameter was in broad agreement with that obtained from small-angle neutron scattering procedures, but was somewhat greater than that obtained by spontaneous shape changes at the nematic-isotropic transition.

A unity power factor multiple isolated outputs switching mode power supply using a single switch

The authors present an offline switching power supply with multiple isolated outputs and unity power factor with the use of only one power processing stage, based on the DC-DC SEPIC (single ended primary inductance converter) modulated by variable hysteresis current control. The principle of operation, the theoretical analysis, the design procedure, an example, and simulation results are presented. A laboratory prototype, rated at 160 W, operating at a maximum switching frequency of 100 kHz, with isolated outputs rated at +5 V/15 A -5 V/1 A, +12 V/6 A and -12 V/1 A, has been built given an input power factor near unity.

Switching-mode audio amplifier /

Issued also as thesis (M.S.) University of Illinois.

Monitorização integrada para sistemas de alimentação distribuídos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.

Hakkuriteholähteen säädön suunnittelu

Diplomityö on tehty osana ETX-tutkimushanketta: 'Volyymiteholähteen suunnittelumetodien kehitys ja optimointi DFM-viitekehyksessä'. Työssä suunnitellaan hakkuriteholähteelle säätäjä. Tähän suunnittelun sektoriin syventyminen on teollisuudessa jäänyt monesti vähälle. Säätö on tavallisesti ajan puutteen ja apuvälineiden käytön osaamattomuuden tai puuttumisen takia suunniteltu kokeilemalla. Työssä muodostetaan jännitemuotoisesti säädetylle hakkurille piensignaalimallilla linearisoidut siirtofunktiot, joiden perusteella voidaan tarkastella hakkurin stabiilisuutta takaisinkytketyssä säätösilmukassa. Stabiiliustarkastelu tehdään taajuustasossa käyttäen Bode-kuvaajia. Näiden kuvaajien perusteella viritetään järjestelmään säätäjä. Säätäjän toimintaa aikatasossa tarkastellaan simuloimalla ja reaalisen laitteen toimimista laboratorioprototyypin avulla. Tulosten perusteella voidaan todeta, että jännitemuotoisella säädöllä flyback-hakkuri saadaan nopeaksi epäjatkuvalla käämivirralla. Mikäli halutaan hakkurin toimivan jatkuvalla käämivirralla, on syytä käyttää muita säätömenetelmiä, esimerkiksi huippuvirtasäätöä.

Vuotasapainon hallinta kokosiltasyötetyssä muuntajassa

Keskitaajuudella toimivia muuntajia käytetään laajalti tehoelektroniikkasovelluksissa kuten DC/DC-konverttereissa ja muissa hakkuriteholähteissä. Muuntaja on induktiivinen komponentti, jonka magneettisen tasapainon säilyttäminen hakkuriteholähteissä on laitteen virheettömän toiminnan kannalta tärkeää. Muuntajaa syöttävän virtapiirin on muodostettava symmetrinen syöttöjännite, jotta muuntajan vuo ei ajaudu positiiviseen tai negatiiviseen kyllästykseen. Tässä diplomityössä esitetään muuntajan sähkömagneettinen toimintaperiaate, kyllästymisen syyt hakkuriteholähteissä sekä kehitetään aktiivinen ohjaus vuotasapainon säilyttämiseksi. Hakkuriteholähteissä käytettävissä muuntajissa on monesti useampi kuin kaksi käämiä. Tässä työssä tutkittavassa muuntajassa on useita ensiöitä ja useita toisioita ja muuntajaa syötetään keskitaajuudella. Tämä tuo uusia ongelmia verrattuna perinteiseen yksivaiheiseen DC/DC-konvertteriin. Näihin ongelmiin esitetään ratkaisut diplomityön tutkimuksessa.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Uma fonte chaveada de 50kW com correção de fator de potência para alimentação de uma tocha de plasma Indutiva utilizando técnicas de controle digital

This work deals with the development of an experimental study on a power supply of high frequency that provides the toch plasmica to be implemented in PLASPETRO project, which consists of two static converters developed by using Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). The drivers used to control these keys are triggered by Digital Signal Processor (DSP) through optical fibers to reduce problems with electromagnetic interference (EMI). The first stage consists of a pre-regulator in the form of an AC to DC converter with three-phase boost power factor correction which is the main theme of this work, while the second is the source of high frequency itself. A series-resonant inverter consists of four (4) cell inverters operating in a frequency around 115 kHz each one in soft switching mode, alternating itself to supply the load (plasma torch) an alternating current with a frequency of 450 kHz. The first stage has the function of providing the series-resonant inverter a DC voltage, with the value controlled from the power supply provided by the electrical system of the utility, and correct the power factor of the system as a whole. This level of DC bus voltage at the output of the first stage will be used to control the power transferred by the inverter to the load, and it may vary from 550 VDC to a maximum of 800 VDC. To control the voltage level of DC bus driver used a proportional integral (PI) controller and to achieve the unity power factor it was used two other proportional integral currents controllers. Computational simulations were performed to assist in sizing and forecasting performance. All the control and communications needed to stage supervisory were implemented on a DSP

A true programmable HPF hybrid three-phase rectifier

In this paper is proposed and analyzed a digital hysteresis modulation using a FPGA (Field Programmable Gate Array) device and VHDL (Hardware Description Language), applied at a hybrid three-phase rectifier with almost unitary input power factor, composed by parallel SEPIC controlled single-phase rectifiers connected to each leg of a standard 6-pulses uncontrolled diode rectifier. The digital control allows a programmable THD (Total Harmonic Distortion) at the input currents, and it makes possible that the power rating of the switching-mode converters, connected in parallel, can be a small fraction of the total average output power, in order to obtain a compact converter, reduced input current THD and almost unitary input power factor. The proposed digital control, using a FPGA device and VHDL, offers an important flexibility for the associated control technique, in order to obtain a programmable PFC (Power Factor Correction) hybrid three-phase rectifier, in agreement with the international standards (IEC, and IEEE), which impose limits for the THD of the AC (Alternate Current) line input currents. Finally, the proposed control strategy is verified through experimental results from an implemented prototype. ©2008 IEEE.

Hybrid three-phase HPF rectifier with programmable input current THD, using FPGA device and VHDL language

In this paper is proposed and analyzed a digital hysteresis modulation using a FPGA (Field Programmable Gate Array) device and VHDL (Hardware Description Language), applied at a hybrid three-phase rectifier with almost unitary input power factor, composed by parallel SEPIC controlled single-phase rectifiers connected to each leg of a standard 6-pulses uncontrolled diode rectifier. The digital control allows a programmable THD (Total Harmonic Distortion) at the input currents, and it makes possible that the power rating of the switching-mode converters, connected in parallel, can be a small fraction of the total average output power, in order to obtain a compact converter, reduced input current THD and almost unitary input power factor. Finally, the proposed digital control, using a FPGA device and VHDL, offers an important flexibility for the associated control technique, in order to obtain a programmable PFC (Power Factor Correction) hybrid three-phase rectifier, in agreement with the international standards (IEC, and IEEE), which impose limits for the THD of the AC (Alternate Current) line input currents. The proposed strategy is verified by experiments. © 2008 IEEE.

An Ultracapacitor-Based No-Break System for Microcomputers

This work aims at presenting a no-break system for microcomputers using ultracapacitors in replacement of the conventional chemical batteries. We analyzed the most relevant data about average power consumption of microcomputers, electrical and mechanical characteristics of ultracapacitors and operation of no-break power circuits, to propose a configuration capable of working properly with a microcomputer switching mode power supply. Our solution was a sixteen-component ultracapacitor bank, with a total capacitance of 350 F and voltage of 10.8 V, adequate to integrate a low-capacity no-break system, capable of feeding a load of 180 Wh, during 75 s. Our proposed no-break increases the reliability of microcomputers by reducing the probability of user data losses, in case of a power grid failure, offering, so, a high benefit-cost ratio. The replacement of the battery by ultracapacitors allows a quick no-break recharge and low maintenance costs, since these modern components have a lifetime longer than the batteries. Moreover, this solution reduces the environmental impact and eliminates the constant recharge of the energy storage device.

Incorporação de um sistema nobreak com ultracapacitor em um microcomputador

The objective of this work is to analyze the viability of incorporation in a microcomputer box of a nobreak with an ultracapacitor as energy storage device, substituting the conventional chemical battery. An advantage of this inclusion is cost reduction because a specific metallic or plastic frame won’t be necessary to protect the components of the nobreak; the microcomputer metallic frame offers the necessary protection for both equipments. Moreover, a large quantity of internal space of microcomputers box isn’t used, and is possible to use it to wrap up the nobreak. This work uses data about average power consumption of microcomputers; operation of switching mode power supplies for microcomputers; electrical and mechanical characteristics of ultracapacitors and operation of power circuits of nobreaks, with the purpose of present a study of energy storage capacity that an ultracapacitor should have to allow a safe switching off of a microcomputer in case of electrical network fail. It was noticed that the use of ultracapacitors is feasible to feed an 180 W load for 75 s, using a capacitive bank with sixteen ultracapacitors, with a total capacitance of 350 F and voltage of 10,8 V. The use of the proposed nobreak increases the reliability of the microcomputer by reducing the probability of user data losses in case of an electrical network fail, offering a high cost/benefit product. The substitution of the battery by an ultracapacitor allows a quick nobreak recharge, with low maintenance costs, since ultracapacitors have a lifetime bigger than batteries; beyond reducing the environmental impact, because they don’t use potentially toxic chemical compounds

Optimal current control for sub-unity power factor correction

Switching mode power supplies (SMPS) are subject to low power factor and high harmonic distortions. Active power-factor correction (APFC) is a technique to improve the power factor and to reduce the harmonic distortion of SMPSs. However, this technique results in double frequency output voltage variation which can be reduced by using a large output capacitance. Using large capacitors increases the cost and size of the converter. Furthermore, the capacitors are subject to frequent failures mainly caused by evaporation of the electrolytic solution which reduce the converter reliability. This thesis presents an optimal control method for the input current of a boost converter to reduce the size of the output capacitor. The optimum current waveform as a function of weighing factor is found by using the Euler Lagrange equation. A set of simulations are performed to determine the ideal weighing which gives the lowest possible output voltage variation as the converter still meets the IEC-61000-3-2 class-A harmonics requirements with a power factor of 0.8 or higher. The proposed method is verified by the experimental work. A boost converter is designed and it is run for different power levels, 100 W, 200 W and 400 W. The desired output voltage ripple is 10 V peak to peak for the output voltage of 200 Vdc. This ripple value corresponds to a ± 2.5% output voltage ripple. The experimental and the simulation results are found to be quite matching. A significant reduction in capacitor size, as high as 50%, is accomplished by using the proposed method.