ALGORITMO DE SELEÇÃO CLONAL APLICADO AO PROJETO DE CONVERSORES DC-DC A CAPACITOR CHAVEADO

Abstract

This master’s dissertation presents an electronic design automation methodology for switched-capacitor (SC) DC-DC converters based on the clonal selection algorithm (CSA). The proposed approach integrates an analytical model into the evaluation of the evolutionary algorithm cost function, enabling the generation and optimization of DC-DC converter topologies. The methodology was applied to different conversion ratios (M), ranging from M = 2 V/V to M = 6 V/V, under low-power and low-voltage operating conditions: input voltage of 200 mV, load current of 100 nA, output capacitance of 100 pF, switching frequency of 1 MHz, and switch on-resistance of 100 kΩ. The adopted fitness function considers both electrical and structural metrics, including the effective conversion ratio, losses associated with fast- and slow-switching regimes, total capacitance, and the number of nodes and branches. The obtained results indicate that the methodology is capable of stably converging to physically implementable topologies, combining non-conventional structures to meet the imposed specifications. In addition, the impact of algorithm initialization using known topologies (seeds) was evaluated in comparison with purely random initialization. The results showed that the use of seeds significantly reduces the number of generations required to achieve high fitness levels, accelerating algorithm convergence without compromising the final quality of the obtained solutions. In all analyzed scenarios, convergence to similar final fitness levels was observed, indicating the robustness of the method with respect to the adopted initialization strategy. The performance and operation of the converters estimated by the algorithm were verified through electrical simulations in Ngspice, confirming agreement with the analytical model used in the method. Therefore, the proposed methodology proves to be suitable as a supporting tool for the preliminary design of SC DC-DC converters, enabling the automated exploration of a wide topology design space prior to the application of traditional integrated circuit-level design flows.

Esta dissertação de mestrado apresenta uma metodologia de automação de projeto eletrônico para conversores DC-DC a capacitor chaveado (switched-capacitor, SC) baseada no algoritmo de seleção clonal (clonal selection algorithm, CSA). A abordagem proposta integra um modelo analítico à avaliação da função de custo do algoritmo evolutivo, permitindo gerar e otimizar topologias de conversores DC-DC. A metodologia foi aplicada a diferentes razões de conversão (M), variando de M = 2 V/V a M = 6 V/V, sob condições de operação de baixa potência e baixa tensão: tensão de entrada de 200 mV, corrente de carga de 100 nA, capacitância de saída de 100 pF, frequência de chaveamento de 1 MHz e resistência de condução das chaves de 100 kΩ. A função de aptidão adotada considera métricas elétricas e estruturais, incluindo a razão de conversão efetiva, as perdas associadas aos regimes de chaveamento rápido e lento, a capacitância total utilizada e o número de nós e ramos. Os resultados obtidos indicam que a metodologia é capaz de convergir de forma estável para topologias fisicamente implementáveis, combinando estruturas não convencionais para atender às especificações impostas. Adicionalmente, avaliou-se o impacto da inicialização do algoritmo com topologias conhecidas (sementes) em comparação com uma inicialização puramente aleatória. Os resultados mostraram que o uso de sementes reduz significativamente o número de gerações necessárias para atingir níveis elevados de aptidão, acelerando a convergência do algoritmo sem comprometer a qualidade final das soluções encontradas. Em todos os cenários analisados, observou-se convergência para patamares finais de aptidão semelhantes, indicando robustez do método frente à estratégia de inicialização adotada. O desempenho e o funcionamento dos conversores estimados pelo algoritmo foram verificados por meio de simulações elétricas no Ngspice, confirmando a concordância com o modelo analítico utilizado. Dessa forma, a metodologia proposta mostra-se adequada como ferramenta de apoio ao projeto preliminar de conversores DC-DC a capacitor chaveado, permitindo a exploração automática de um amplo espaço de topologias antes da aplicação de fluxos tradicionais de circuito integrado.