Conception de circuits intégrés pour la gestion de l’énergie

Publié le : 14 mars 2021

L’arrivée de nouvelles techniques de modulation pour les nouvelles générations de standard de communication sans-fil (5G/6G, WiFi6/7,…) entraînent une augmentation du facteur de crête et de la rapidité du signal de transmission radiofréquence. Afin de garantir une puissance émise avec une distorsion maitrisée, un amplificateur de puissance radiofréquence de type « linéaire » pilote l’antenne. Mais, celui-ci présente un rendement énergétique qui diminue drastiquement avec l’introduction de ces nouveaux standards car il dépend au 1er ordre du facteur de crête du signal. Ce rendement est une performance prioritaire dans les systèmes à stockage d’énergie contrainte, comme le téléphone portable. Depuis plusieurs années, cet amplificateur est accompagné d’un convertisseur DC-DC qui gère le niveau de son alimentation. Il a pour objectif de moduler la tension d’alimentation afin de réduire les pertes énergétiques dans l’amplificateur de puissance radiofréquence. Malgré la perte apportée par l’alimentation, la consommation globale du système alimentation/amplificateur est diminuée. Cependant, les nouvelles contraintes de modulation dans les nouveaux standards (facteur de crête, dynamique, puissance…) rendent ces architectures d’alimentation « compagnon » peu efficaces. La topologie de l’alimentation et son couplage à l’amplificateur doivent être revus pour proposer des solutions de gestion de l’énergie efficaces, compactes et rapides.

Le sujet de thèse se rapporte à cette problématique : comment envisager des alimentations dynamiques et efficaces pour des amplificateurs de puissance radiofréquences à forte efficacité énergétique dans le cadre de modulations rapides et à forte dynamique ? Le cadre normatif des applications mobiles 5G/6G permettra d’encadrer les objectifs quantitatifs. Les ordres de grandeurs sont les suivants : quelques Watt en puissance, quelques volts en tension d’alimentation, une dizaine de décibels en facteur de crête, quelques centaines de MHz de bande passante, quelques mm2 de circuits, et un recours parcimonieux aux composants externe au circuit intégré.

Le doctorat aura notamment en charge l’exploration de diverses topologies de convertisseur DC-DC pour la modulation d’enveloppe de l’alimentation de l’amplificateur de puissance radiofréquence, notamment en bénéficiant des approches massivement entrelacées permises dans un contexte d’intégration Silicium. La vitesse de modulation d’enveloppe, tout en gardant un rendement de conversion élevé, sera étudiée par l’introduction d’architecture hybride, mixant régulateur linéaire et convertisseur à découpage, inspirée de l’état de l’art. La boucle de contrôle générant de multiples chemins de puissance sera également une clef nécessaire pour atteindre les spécifications électriques ambitieuses du système complet. Afin de bénéficier d’un avantage comparatif, le doctorant complétera, par une étude théorique, l’apport de composants passifs sur Silicium développés dans les salles blanches du Léti. Le doctorant aura aussi à prendre en compte l’évolution des normes, des technologies de circuits intégrées et des passifs, de leur encapsulation sur la durée de la thèse, à participer de façon indirect à des projets à visé applicative et commerciale, à élaborer des stratégies de tests électriques.

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