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Noise propagation in power converter : modeling and attenuation approaches

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Nguyen, Tung Ngoc (2018). Noise propagation in power converter : modeling and attenuation approaches. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this thesis, an analysis of noise propagation and complete design guidelines for low noise low power circuit of a power converter is presented. In literature, majority of publication deal with noise propagation in the high power circuit resulting in high EMI, which may not pass EMI standards. Unfortunately, EMI standards are not relevant to solve EMI issues in the board level. Consequently, this thesis focuses on noise propagation in the low power circuit, consisting of sensing and control circuits. Noise in the low power circuit can create noisy feedback signals, leading to bad performance and poor reliability converter. In order to resolve this issue, this thesis helps the designers to understand well noise in low power circuit in term of its existence, source and propagation paths. Based on this knowledge, noise mitigation techniques are developed to ensure the performance and reliability of the power converter. The proposed methods can be applied in the early design stage or improving noise profile of a complete converter.

This thesis begins with the experimental observations of noise in the low power circuit of a typical Buck converter in several operating points of the high power circuit and different components of low power circuit. Based on the experimental results, the noise propagation paths are analyzed without considering differential (DM) and common modes (CM) separately. To further understand the effects of converter design on noise profile, the fundamental parts of the low power circuit including Gate driver, passive devices and low power rails supplying all functional circuits, are studied. These researches result in the proposed models of Gate driver at high frequency, the General Impedance Representation (GIR) of passive devices, and the computational model of the low power rails, which will be presented in the contents of this thesis. Furthermore, the noise mitigation techniques are developed to reduce noise in the low power circuit based on knowledge of these aforementioned parts. Noise is attenuated locally at the Gate driver by using Y-capacitor. In addition, the GIR and 2D model of low power rails provide powerful tools for optimal design. In each part of this thesis, the literature review, proposed models/approaches, computational and experimental results will be presented to validate the effectiveness of the thesis contributions.

Titre traduit

Propagation du bruit dans le convertisseur de puissance : modélisation et methode d'atténuation

Résumé traduit

Dans cette thèse, une analyse de la propagation du bruit électromagnétique dans les circuits de faible puissance des convertisseurs de puissant ainsi que des règles de conception est présentée. Dans la littérature, la majeure partie des publications traitent de la propagation du bruit du circuit de forte puissance. Ces bruits entraînent des interférences électromagnétiques élevées qui peuvent excéder les normes EMI. Malheureusement, les normes EMI ne permettent pas de fixer des seuils de bruit acceptables pour les circuits de faible puissance. Les bruits dans le circuit de faible puissance peuvent créer des signaux de rétroaction perturbés, entraînant des fonctionnements erratiques du convertisseur. Pour résoudre ce problème, cette thèse vise tout d’abord à aider les concepteurs à comprendre l’origine de la propagation de ces bruits. Sur la base de ces connaissances, des techniques d’atténuation du bruit sont développées pour garantir la performance et la fiabilité du convertisseur de puissance. Les méthodes proposées peuvent être appliquées à un stade initial ou avancé de la conception d’un convertisseur.

Cette thèse débute par des observations sur la propagation du bruit dans les circuits de faible puissance d’un convertisseur typique. Sur la base des résultats expérimentaux, les chemins de propagation du bruit sont analysés en mode différentiel (DM) et en mode commun (CM). Pour mieux comprendre les effets de la conception du convertisseur sur le bruit, les parties fondamentales du circuit de faible puissance qui comprend les conducteurs, les dispositifs passifs et la distribution de faible puissance qui alimente tous les circuits fonctionnels sont étudiées. Ces recherches aboutissent aux modèles proposés de pilote de grille à haute fréquence, à la représentation générale d’impédance (GIR) des dispositifs passifs, et au modèle de calcul de la distribution de faible puissance, qui seront présentés dans les différents chapitres de cette thèse. Plus spécifiquement, les techniques d’atténuation du bruit sont développées pour réduire le bruit dans la distribution de faible puissance. Par exemple, le bruit est atténué localement par des condensateurs Y. De plus, la modélisation GIR ainsi que le modèle 2D passif des structures multicouches des PCB fournissent des outils puissants pour un design optimal, à bruit réduit. Enfin, il est proposé de minimiser le bruit dans le circuit basse puissance en tenant compte des interactions complexes entre les différentes parties du circuit. Dans toutes les parties de cette thèse, la revue de la littérature, les modèles / approches proposées, les résultats des différents calculs ainsi que des résultats expérimentaux seront présentés afin de valider l’efficacité des contributions.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 127-133.
Mots-clés libres: découplage, EMI, filtre, propagation du bruit, modélisation du convertisseur de puissance, carte de circuit imprimé
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Fortin Blanchette, Handy
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 nov. 2018 14:43
Dernière modification: 02 nov. 2018 14:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2102

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