Σχεδίαση ολοκληρωμένου κυκλώματος μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (DC-AC converter:
Creators: name: Σιδηρόπουλος, Ιωάννης Παύλου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: αντλίες φορτίου
μετατροπέας
H-bridge
charge pump
converter

description: Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά στη μελέτη κυκλωμάτων μετατροπής τάσης από DC σε AC. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής σχεδιάστηκε ένας μετατροπέας DC-AC σε τεχνολογία CMOS της AMS 0,35um HV στο εργαλείο σχεδίασης CADENCE. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των μετατροπέων τάσης DC-AC, η οποία συμπεριλαμβάνει και τους μετατροπείς DC-DC που είναι και η πρώτη βαθμίδα στο συνολικό κύκλωμα του μετατροπέα DC-AC. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η σχεδίαση των επιμέρους κυκλωμάτων του μετατροπέα, ξεκινώντας από τη σχεδίαση δύο charge pump (Dickson charge pump, charge pump with voltage doubler) με σκοπό την ανύψωση μιας DC τάσης προς μετατροπή σε υψηλότερη στάθμη και επιλέγοντας για το τελικό κύκλωμα την Dickson charge pump για λόγους κατανάλωσης και χώρου. Συνεχίσαμε με τη σχεδίαση δύο συγκριτών για την εξαγωγή δύο σημάτων PWM για τον έλεγχο της H-bridge που είναι και η τρίτη βαθμίδα. Το τελευταίο κύκλωμα που σχεδιάστηκε είναι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο LC το οποίο έχεις σαν ιδιότητα την μετατροπή του σήματος SPWM σε ημιτονικό. Μια ιδιαιτερότητα του φίλτρου είναι η τοποθέτησης μιας αντίστασης Rout για τη ρύθμιση του κέρδους κοντά στη συχνότητα αποκοπής. Καταλήξαμε στη σχεδίαση του μετατροπέα τάσης DC-AC με δυνατότητα μετατροπής από Vdd=1V-5V σε Vout=42,22VP-P έως 311,8VP-P (110VRMS) σε συχνότητα fout=60Hz-2000Hz με δυνατότητα οδήγησης μιας λάμπας ηλεκτροφωταύγειας (EL). Στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις των επιμέρους κυκλωμάτων του μετατροπέα και του μετατροπέα DC-AC, οι οποίες δείχνουν ότι βρισκόμαστε εντός των απαιτούμενων προδιαγραφών σχεδίασης. Έγινε προσομοίωση σε ακραίες συνθήκες (corner analysis). Στο τελευταίο μέρος της εργασίας έγινε φυσική σχεδίαση του ολικού κυκλώματος του μετατροπέα τάσης DC-AC με διαστάσεις 620um×408um. Από την φυσική σχεδίαση εξαιρέθηκε το φίλτρο LC καθώς και οι αντιστάσεις Rout και Rout_CP, λόγω μεγάλου μεγέθους των τιμών των στοιχείων αυτών. Αφού ολοκληρώθηκε η φυσική σχεδίαση έγινε post-layout προσομοίωση και σύγκριση με τις προσομοιώσεις χωρίς τις παρασιτικές χωρητικότητες, παρατηρώντας πολύ μικρή απόκλιση. Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά στη μελέτη κυκλωμάτων μετατροπής τάσης από DC σε AC. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής σχεδιάστηκε ένας μετατροπέας DC-AC σε τεχνολογία CMOS της AMS 0,35um HV στο εργαλείο σχεδίασης CADENCE. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των μετατροπέων τάσης DC-AC, η οποία συμπεριλαμβάνει και τους μετατροπείς DC-DC που είναι και η πρώτη βαθμίδα στο συνολικό κύκλωμα του μετατροπέα DC-AC. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η σχεδίαση των επιμέρους κυκλωμάτων του μετατροπέα, ξεκινώντας από τη σχεδίαση δύο charge pump (Dickson charge pump, charge pump with voltage doubler) με σκοπό την ανύψωση μιας DC τάσης προς μετατροπή σε υψηλότερη στάθμη και επιλέγοντας για το τελικό κύκλωμα την Dickson charge pump για λόγους κατανάλωσης και χώρου. Συνεχίσαμε με τη σχεδίαση δύο συγκριτών για την εξαγωγή δύο σημάτων PWM για τον έλεγχο της H-bridge που είναι και η τρίτη βαθμίδα. Το τελευταίο κύκλωμα που σχεδιάστηκε είναι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο LC το οποίο έχεις σαν ιδιότητα την μετατροπή του σήματος SPWM σε ημιτονικό. Μια ιδιαιτερότητα του φίλτρου είναι η τοποθέτησης μιας αντίστασης Rout για τη ρύθμιση του κέρδους κοντά στη συχνότητα αποκοπής. Καταλήξαμε στη σχεδίαση του μετατροπέα τάσης DC-AC με δυνατότητα μετατροπής από Vdd=1V-5V σε Vout=42,22VP-P έως 311,8VP-P (110VRMS) σε συχνότητα fout=60Hz-2000Hz με δυνατότητα οδήγησης μιας λάμπας ηλεκτροφωταύγειας (EL). Στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις των επιμέρους κυκλωμάτων του μετατροπέα και του μετατροπέα DC-AC, οι οποίες δείχνουν ότι βρισκόμαστε εντός των απαιτούμενων προδιαγραφών σχεδίασης. Έγινε προσομοίωση σε ακραίες συνθήκες (corner analysis). Στο τελευταίο μέρος της εργασίας έγινε φυσική σχεδίαση του ολικού κυκλώματος του μετατροπέα τάσης DC-AC με διαστάσεις 620um×408um. Από την φυσική σχεδίαση εξαιρέθηκε το φίλτρο LC καθώς και οι αντιστάσεις Rout και Rout_CP, λόγω μεγάλου μεγέθους των τιμών των στοιχείων αυτών. Αφού ολοκληρώθηκε η φυσική σχεδίαση έγινε post-layout προσομοίωση και σύγκριση με τις προσομοιώσεις χωρίς τις παρασιτικές χωρητικότητες, παρατηρώντας πολύ μικρή απόκλιση.
description: This thesis concerns the study and the design of an integrated DC to AC converter. The circuit is implemented and simulated with CADENCE tool in CMOS 0,35um HV technology. The first part is a literature review of DC to AC converters. The review includes the DC to DC converter, which is the first step in the overall circuit of the DC to AC converter, and the most important one to boost up the DC voltage. The second part describes the design of the individual circuits of the converter, starting from the design of two charge pumps. First is the Dickson charge pump and the second is a charge pump with a voltage doubler. The purpose of the charge pump is to boost the DC voltage to a higher level. We select the Dickson charge pump for the converter due to low consumption and area. We continue with the design of two comparators to produce two PWM signals to control the H-bridge, which is the third step of the converter. Finally, we designed a low pass filter (LC), which has the property to convert the SPWM signal to a sine wave. A peculiarity of the filter is the resistance Rout for adjusting the gain near the cutoff frequency. We ended up in the design of a DC to AC converter with conversion potential from Vdd=1V-5V to Vout=42,22VP-P-311,8VP-P (110VRMS) at frequency fout=60Hz-2000Hz. The third part presents simulations of individual circuits of the converter as well as the DC to AC converter. It is notable that the results are within the required design specifications. Simulations are also presented in extreme conditions (corner analysis). In the last part of the thesis we present the layout of the DC to AC converter with dimensions 620um × 408um. We exclude from the layout the LC filter and the resistance Rout and Rout_CP, due to the large values of these elements. Finally, we conducted post-layout simulations, observing very small deviation compared to simulations without parasitic capacitances.