Design and Implementation of Integrated High Efficiency Low-voltage CMOS DC-DC Converters

De nos jours, les appareils portatifs sont utilisés dans plusieurs applications. Ils utilisent en général une batterie qui doit être remplacée ou rechargée régulièrement. Dans le cas d'applications biomédicales, la durée de vie de la batterie est un paramètre critique. Pour un appareil implantable, une longue durée de vie est un objectif primordial. Cet objectif est généralement atteint en réduisant la consommation de puissance des circuits constituant l'implant. Parmi les diverses techniques existantes qui permettent la réduction de la consommation en puissance des circuits CMOS, on retrouve la technique d'ajustement dynamique de la tension (dynamic voltage scaling - DVS). En réduisant la tension d'alimentation, la consommation totale des circuits peut être diminuée. Cependant cette technique ne peut être implémentée sans faire appel à des circuits dédiés à une gestion intelligente de l'énergie. Dans ce contexte, l'utilisation de convertisseurs de tension DC-DC devient nécessaire pour économiser la charge de la batterie. Mais pour garantir une réduction effective de la consommation globale, des convertisseurs DC-DC de haute efficacité doivent être utilisés. A cette contrainte se rajoute la miniaturisation en utilisant des circuits hautement intégrés pour les applications telles que les implants biomédicaux. Le défi réside dans la conception d'un convertisseur DC-DC totalement intégré tout en assurant une haute efficacité sur une grande plage de tension de sortie. De plus, les appareils tels que les implants électroniques fonctionnent souvent en mode de veille pour réduire la consommation, entrainant ainsi des variations conséquentes de la charge du convertisseur DC-DC. Ceci rajoute un défi supplémentaire pour le maintient d'une haute efficacité de la conversion DC-DC à faible charge. Dans ce mémoire, nous présentons la conception détaillée d'un convertisseur DC-DC hautement efficace et totalement intégré dans une technologie CMOS à faible tension. Nous proposons une implémentation originale et totalement intégrée d'un convertisseur DC-DC à capacités commutés (switched capacitor - SC) opérant avec un contrôle asynchrone. L'efficacité du convertisseur est maintenue élevée en ajustant sa topologie et sa fréquence d'opération selon la charge.