Convertidores conmutados de potencia para transmisores de comunicación por luz visible

Resumen

El uso de sistemas de comunicación inalámbrica es esencial para la sociedad actual y futura. Por ejemplo, el tráfico de datos móviles ha crecido exponencialmente durante la última década y se espera que este ritmo se mantenga hasta al menos el año 2021. Además, temas emergentes, como internet de las cosas (Internet of Things, IoT) o smart cities, muestran una tendencia a interconectar de forma inalámbrica a las personas y distintos elementos colocados en su entorno (ropa, coches, iluminación, etc.). Por otra parte, la velocidad demandada en cada enlace de comunicación está creciendo muy rápidamente debido al alto bit rate exigido por servicios de uso general, como el video bajo demanda, las videollamadas, servicios basados en la nube, etc. Como consecuencia, el espectro radioeléctrico (Radio Frequency, RF) está saturándose, lo que lleva a la necesidad de investigar nuevas tecnologías que posibiliten el tráfico de datos previsto para los próximos años. El problema es especialmente crítico en entornos cerrados (casas, oficias, etc.), donde la capacidad del canal de comunicación es compartida por varios usuarios, lo cual lleva a la reducción del bit rate para cada uno. Además, se estima que el 70% del tráfico inalámbrico tiene lugar en entornos cerrados. La comunicación por luz visible (Visible Light Communication, VLC) es una de las opciones más prometedoras para reducir la saturación de espectro RF. Este sistema de comunicación inalámbrica utiliza el amplio y libre espectro de luz visible (430-750 THz) para transmitir la información. El punto fuerte de esta idea aparece cuando se combina la comunicación con la función de iluminación mediante diodos emisores de luz de alto brillo (High-Brightness Light Emitting Diodes, HB-LEDs). De esta manera, la infraestructura de iluminación existente se puede modificar parcialmente para incorporar la capacidad de comunicación. Desde su presentación en 2004, VLC ha ido recibiendo cada vez más atención gracias al mayor uso de HB-LEDs para la iluminación en estado sólido (Solid State Lighting, SSL). Además del mayor tiempo de vida y rendimiento energético con respecto a otras tecnologías de iluminación, los HB-LEDs son capaces de cambiar muy rápidamente la intensidad de la luz, posibilitando así la comunicación. Como consecuencia, en la actualidad se está considerando el uso de VLC para apoyar los sistemas de comunicación inalámbrica por RF en entornos cerrados. El driver de HB-LEDs es una de las partes más importantes del transmisor VLC. Es responsable de dos tareas: controlar la polarización de los HB-LEDs para garantizar el nivel de iluminación deseado, y reproducir la señal de comunicación de forma precisa. Un punto clave que en general no se tiene en cuenta en la literatura de VLC es que el alto rendimiento energético de la iluminación HB-LED se debe tanto al alto rendimiento del HB-LED al convertir la potencia eléctrica en potencia óptica, como al alto rendimiento del driver que procesa la potencia eléctrica. Por tanto, el driver de HB-LEDs para VLC debe cumplir las dos tareas anteriormente mencionadas consiguiendo un alto rendimiento energético. Los drivers de HB-LEDs que han sido propuestos hasta la fecha se pueden clasificar en dos categorías: drivers basados en encender y apagar completamente los HB-LEDs, y drivers concebidos para reproducir esquemas de modulación avanzados. En la primera categoría, el driver está formado por un convertidor CC/CC de respuesta lenta que polariza los HB LEDs, y un MOSFET que los enciende y apaga para generar pulsos de luz. Este método es simple y ofrece un alto rendimiento energético. EL mayor problema es que únicamente permite reproducir esquemas de modulación basados en pulsos, y éstos no son la mejor opción para VLC si se quiere lograr un alto bit rate. En la segunda categoría, los drivers se centran en reproducir esquemas de modulación avanzados que nos permitan alcanzar altos valores de bit rate. En este caso, el driver está formado por un convertidor CC/CC de respuesta lenta que polariza los HB-LEDs y un amplificador de potencia lineal (Linear Power Amplifier, LPA) que reproduce la señal de comunicación. El uso del LPA se debe a que proporciona una linealidad y un ancho de banda suficientemente altos como para reproducir fielmente la señal de comunicación. Sin embargo, el uso del LPA daña uno de los mayores beneficios de la iluminación HB-LED: el alto rendimiento energético. El problema es que un LPA Clase A o AB alcanza un rendimiento energético muy bajo (entre el 10% y el 40%). En resumen, es necesario reproducir esquemas de modulación avanzados en VLC para posibilitar el tráfico de datos inalámbricos previsto para los próximos años. Sin embargo, el bajo rendimiento energético de los drivers de HB LEDs usados para alcanzar altos valores de bit rate es una limitación importante que se debe superar. Por tanto, el objetivo de la tesis es desarrollar soluciones que alcancen un alto rendimiento energético y que sean capaces de reproducir esquemas de modulación avanzados. Para alcanzar dicho objetivo, los drivers que se proponen están basados exclusivamente en el uso de convertidores de potencia conmutados (Switching-Mode Power Converters, SMPCs). Después de haber introducido VLC y el objetivo de la tesis se incluye a continuación una breve descripción de cada uno de los capítulos que la componen: Capítulo 1: Fundamentos de la Comunicación por Luz Visible. Este capítulo es una introducción a VLC en el que se explican los puntos más importantes de esta tecnología. El capítulo incluye la descripción del principio de operación, los esquemas de modulación empleados y la caracterización de los HB-LEDs desde el punto de vista de la transmisión. Además, en el capítulo se explica uno de los cuellos de botella que está ralentizando la implantación de VLC: el bajo rendimiento energético de los drivers de HB-LEDs que han sido propuestos hasta la fecha para alcanzar altos valores de bit rate. Por último, se describe el objetivo de la tesis y la organización del documento. Capítulo 2: Considerando el Uso de SMPCs como Drivers de HB-LEDs para transmisores VLC. En este capítulo se explora el uso de SMPCs como drivers de HB-LEDs para transmisores VLC con el objetivo de mejorar el rendimiento energético. Se estudia la relación entre la intensidad de luz, la corriente y la tensión de un HB-LED, y se detallan los requisitos para controlarlo. Después se estudia cómo incorporar el driver a la infraestructura SSL existente. Por último se propone el uso de SMPCs modulados por ancho de pulso (PWM-SMPCs) para polarizar los HB-LEDs y amplificar la señal de comunicación. Capítulo 3: PWM-SMPCs Derivados del Convertidor Reductor Diseñar un PWM-SMPC capaz de cumplir los requisitos de un driver de HB-LEDs para VLC no es trivial. Aunque desde un punto de vista teórico se podría utilizar un convertidor reductor como driver, éste presenta varios problemas que dificultan su implementación práctica. Los dos mayores inconvenientes son la alta frecuencia de conmutación requerida para alcanzar el ancho de banda demandado, y la capacidad de realizar cambios muy pequeños de la tensión sobre los HB-LEDs para reproducir fielmente la señal de comunicación. En este capítulo se estudian tres topologías derivadas del convertidor reductor que son muy interesantes para VLC puesto que pueden aliviar los dos problemas comentados anteriormente. Después, se presenta el diseño de un driver basado en esas tres topologías. La arquitectura propuesta es estudiada tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia. En la sección experimental se describe el prototipo implementado y las tres pruebas que han sido llevadas a cabo: evaluación del compromiso entre rendimiento energético y rendimiento de la comunicación, evaluación de la capacidad de comunicación y validación del lazo de realimentación. Capítulo 4: Técnica de Modulación del Rizado. Emplear un PWM-SMPC como driver es una opción interesante para evitar el uso de LPAs, los cuales causan un bajo rendimiento energético. Sin embargo, las topologías recomendadas para conseguir una frecuencia de conmutación no excesivamente elevada y para lograr la precisión exigida en la tensión de salida conllevan el empleo de diseños muy complejos. En este capítulo se presenta un método que ha sido especialmente concebido para su uso en VLC. Consiste en utilizar el rizado de la tensión de salida de un SMPC para reproducir la señal de comunicación. Esta estrategia permite reducir la frecuencia de conmutación y la complejidad de la etapa de potencia. En el capítulo se describe en detalle la técnica de modulación del rizado (Ripple Modulation, RM) estudiando varios puntos: el principio de operación del driver propuesto para usar su rizado, cómo reproducir tanto esquemas de modulación mono-portadora como multi-portadora, el sistema de control que se emplea para aplicar la técnica, etc. Capítulo 5: Conclusiones, Contribuciones y Trabajo Futuro. Las principales conclusiones de esta tesis doctoral se recogen en este capítulo, además de una descripción de las contribuciones logradas por la investigación que se ha llevado a cabo. Finalmente, se explican diferentes puntos que pueden ser estudiados en el futuro para continuar con la línea de investigación. Nowadays, the use of wireless communication systems is essential for the present and future society. For instance, the mobile data traffic has grown exponentially during last decade and it is expected that it will keep growing at similar rates at least until 2021. Moreover, emerging topics, such as the Internet of Things (IoT) or the smart cities, show that the current trend is to interconnect wirelessly humans and different kinds of items placed in the environment (clothes, cars, city lighting, home appliances, etc.). In addition, the speed demanded by each communication link is growing very quickly due to the high bit rate required by mainstream services, such as video streaming, video calls, cloud-based computing, etc. As a result, the Radio Frequency (RF) spectrum is already close to congestion and, as a consequence, enabling the data traffic predicted for upcoming years needs for further research on new technologies. The problem becomes critical in indoor scenarios (home, office, etc.) where the channel capacity is shared between several users, leading to a reduction of the bit rate for each user. Furthermore, it is estimated that more than 70% of the wireless traffic takes place in indoor environments. Visible Light Communication (VLC) is one of the most promising solutions for alleviating the saturation of the RF spectrum. This wireless communication system uses the wide and unlicensed visible light spectrum (430-750 THz) to transmit information. The strength of this approach arises when the communication is combined with the lighting functionality of High-Brightness Light-Emitting Diode (HB-LED) bulbs. Thus, the exiting lighting infrastructure can be partially modified to incorporate the communication capability. Since its introduction in 2004, VLC has gained attention due to the increasing use of HB-LEDs in Solid State Lighting (SSL). Besides the longer lifetime and higher power efficiency than other lamp technologies, HB-LEDs are able to change the light intensity rapidly, which enables the communication functionality. As a consequence, VLC is being considered nowadays to supplement existing RF wireless communications systems of indoor environments. The HB-LED driver is one of the cornerstones of the VLC transmitter. It is responsible for two tasks: controlling the bias level of the HB-LEDs in order to guarantee the desired lighting level, and reproducing the communication signal component with high accuracy. A key point that, in general, is not taken into account in VLC literature is that the high efficiency of HB-LED lighting is not only due to the high efficiency of HB-LEDs converting electrical power into optical power, but also due to the high efficiency achieved by the HB-LED driver that delivers the electrical power. Therefore, the HB-LED driver for VLC must fulfill the two aforementioned tasks achieving high power efficiency. The HB-LED drivers that have been proposed so far can be classified into two subsets: HB-LED drivers based on switching on and off the HB-LEDs and HB-LED drivers for reproducing advanced modulation schemes. The first subset of HB-LED drivers is made up of a slow-response DC-DC converter that is responsible for the biasing, and a MOSFET that switches on and off the HB-LED string. This method is simple and it achieves high power efficiency. The main drawback of this approach is that pulse-based modulation schemes are not the best choice for providing high data rates. The second subset of HB-LED drivers are focused on reproducing advanced modulation schemes that allow us to provide higher data rates than pulse-based modulation schemes. In this case, the HB-LED driver is made up of a slow-response DC-DC converter that is responsible for the biasing of the HB-LEDs and a Linear Power Amplifier (LPA) that delivers the AC component (i.e., the communication signal). The use of a LPA has been adopted because it provides the linearity and bandwidth required to reproduce the communication signal component. However, it jeopardizes the main advantage of HB-LED lighting: the power efficiency. The problem is that a Class A or AB LPA offers very low power efficiency (between 10% and 40%). In summary, reproducing advanced modulation schemes is mandatory for enabling the massive data traffic predicted for upcoming years by using VLC. However, the low power efficiency of the HB-LED drivers used to achieve high bit rates is an important limitation that must be overcome. Therefore, the objective of this dissertation is the development of power efficient solutions that can reproduce advanced modulation schemes. In order to reach this target, the HB-LED drivers for VLC that are proposed in the dissertation are fully based on the use of Switching-Mode Power Converters (SMPCs). After having introduced VLC and the target of the dissertation, a brief description of each chapter is included below: Chapter 1: Fundamentals of Visible Light Communication. This chapter is an introduction to visible light communication where the key points of this new technology are reviewed. The chapter includes the description of the operating principle, the modulation schemes and the characterization of HB-LEDs from the transmission point of view. Moreover, the chapter explains one of the bottlenecks that is slowing down the deployment of VLC: the low power efficiency achieved by the HB-LED drivers that have been proposed for providing high data rates. Finally, the objective of this dissertation and the document organization are described. Chapter 2: Considering the Use of SMPCs as the HB-LED Drivers of VLC Transmitters. In this chapter, the use of SMPCs for driving the HB-LEDs of VLC transmitters is explored in order to alleviate the efficiency problem. The chapter studies the relationship between light intensity, current and voltage across an HB LED, and details the requirements for driving it. After that, the way to incorporate VLC to the existing SSL infrastructure is studied. Finally, the use of Pulse-Width Modulated SMPCs (PWM-SMPCs) is proposed not only to bias the HB-LEDs, but also to amplify the communication signal. Chapter 3: PWM-SMPCs Derived from the Buck Converter. Designing a PWM-SMPC able to provide the features that a HB-LED driver for VLC requires is not trivial. Although from a theoretical point of view, the buck converter could be used for driving the HB-LEDs of VLC transmitters, it has some drawbacks that make the practical implementation very difficult. The two main problems are the high switching frequency required for providing the demanded bandwidth, and the capability to perform very small voltage changes that is required in order to reproduce the communication signal. This chapter studies three buck derived topologies that are very interesting for VLC because they can alleviate the aforementioned problems. After that, a HB-LED driver architecture based on these three strategies is proposed to be used in VLC. This architecture is fully studied both in the time domain and in the frequency domain. In the experimental section, the implemented prototype is described and three main tests are carried out: evaluation of the trade-off between communication efficiency and power efficiency, evaluation of the communication capability, and feedback loop tests. Chapter 4: The Ripple Modulation Technique. Using a PWM-SMPC is an interesting approach for driving the HB-LEDs of a VLC transmitter avoiding the use of a power inefficient LPA. However, the recommended topologies for enabling an affordable switching frequency and for fulfilling the required output voltage accuracy lead to quite complex designs. In this chapter, a novel approach that is especially conceived for VLC is presented. The idea is to use the output voltage ripple of a SMPC in order to reproduce the communication signal. This strategy allows us to reduce both the required switching frequency and the complexity of the power stage. The chapter describes in detail the ripple modulation technique by studying different points: the operating principle of the driver that is proposed for using the output voltage ripple, how to reproduce both single-carrier modulation and multi-carrier modulation schemes, control system required for applying the technique, etc. Chapter 5: Conclusions, Contributions and Future Work. The main conclusions of the dissertation are included in this chapter. Moreover, the contributions of the research are also described. Finally, different points that could be studied in the future are explained in order to stablish a possible roadmap to continue the research line.