WLAN系统节能技术及DC-DC转换器节能算法研究

【摘要】近几年,我国无线局域网(WLAN)的热点区域范围不断扩大,信号覆盖效果也显著增强,同时伴随着无线接入点(AP)能耗的激增。前期的WLAN网络架构设计及AP设备没有充分考虑节能的问题,而是以追求信号强度、扩大覆盖范围为首要目标,现在要充分考虑节能技术的引用。长期以来AP中的电源都是采用模拟结构的,即电源模块的输出电压电流不能随着节能策略的调整进行变化,自然也达不到节能的效果。随着数字电路功能日益强大,成本也在不断降低,数字电源具备传统模拟电源产品无法比拟的优势。人们已经将数字技术引入电源产品,数字电源在不远的将来必将从实验室走向商用。本论文在网络层面提出WLAN网络架构的节能化设计方案；在AP设备层面引入自适应数字电源技术,提出AP设备内部各模块的节能策略,实现AP应用中的直流直流转换器的最优转换效率的算法；在数字电源层面,设计了具有最小模块损耗的数字环路直流直流(DC-DC)转换器,它是数字电源最重要的组成部分。论文创新点包括以下五方面：一、在深入研究现有WLAN网络架构的基础上提出四种网络节能优化方案,并给出了相应的算法和实现流程,并在现网进行了试点,充分验证了其节能的有效性。二、创造性的提出AP电源能耗评估模型,并对“节能设计原则”和“等级更新原则”进行了详细分析,给出了各种场景的测算模型(能效比),最后得出“热点AP综合场景模型”,这套模型已经被运营商广泛采纳,并作为热点AP入网测试中的重要节能评测方法。三、提出”DC-DC转换器的转化效率是节能的关键”的理论,并解决了“如何使直流直流转换器在轻重负载时实现效率最大化”的问题,给出解决方案和具体算法。在此基础上对于“任何负载条件下达到最优转换效率的开关尺寸”加以分析,指出了针对AP应用存在最优的转换效率,给出了两种实现算法,并给出其芯片实现方案。四、将数字环路直流直流转换器引入传统AP模块中,提出了数字控制实现AP的动态节能算法,并通过动态调整环路特性解决了达到最小损耗的方法,设计了最小模块损耗的数字环路直流直流转换器。在此基础上,优化了具有共享延迟线单元的ADC和DPWM的数字控制转换器,通过共享这些耗能较大的组件,在不牺牲性能的前提下同时达到了降低功耗和芯片面积的目标,并使用SMIC0.13um工艺设计了具有这种功能的转换器,此结构非常适合低功耗应用。五、在传统AP中引入自适应数字电源模块,提出AP各模块的功耗模型。该数字电源根据温度相关信息建立“核心模块”的节能模型,根据占空比信息建立“以太网模块”的节能模型,根据误码率信息建立“射频模块”的节能模型,并给出了芯片实现方案。
【作者】陈强；
【导师】闵昊；
【作者基本信息】复旦大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】WLAN；CSMA；ADSL；LAN；EPON；数字电源；直流直流(DC-DC)转换器；交流直流(AC-DC)转换器；数字控制；芯片实现；

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