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

Omar Al-Terkawi Hasib

Mémoire de maîtrise (2010)

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Citer ce document: Al-Terkawi Hasib, O. (2010). Design and Implementation of Integrated High Efficiency Low-voltage CMOS DC-DC Converters (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/425/
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Résumé

RÉSUMÉ 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.----------ABSTRACT Today, battery-powered portable devices are used in many applications. In applications like biomedical implants, the battery life is a major concern. Since replacing the battery of an implant needs a surgical procedure, a long battery life is a goal that all implants try to achieve. This is normally done by reducing the power dissipation in the implant's circuitry. One of the various techniques that exist for reducing the power consumption in CMOS circuitry is the dynamic voltage scaling (DVS) technique. By reducing the supply voltage, the overall power consumption of the circuits can be decreased. This technique cannot be implemented without power management blocks. The use of DC-DC converters becomes a must to save battery power. The overall power reduction can be improved by introducing high efficiency DC-DC converters. Moreover, to provide patients with the most comfort, small integrated circuits should be used in applications such as biomedical implants. The challenging aspect of designing integrated DC-DC converters is keeping the efficiency high while providing an adjustable output voltage. Additionally, devices such as electronic implants go in and out of stand-by mode to reduce power consumption. From the perspective of the DC-DC converter, the output load power is varying according to the mode of operation of the implant. This adds another challenge of sustaining the DC-DC conversion efficiency high under various loading conditions. At very light loads, preserving a high conversion efficiency is a challenge. In this master thesis, a detailed design of a high-efficiency low-voltage fully integrated DC-DC converter is presented. A unique structure of a fully integrated switched-capacitor (SC) DC-DC converter with asynchronous control is proposed. The efficiency of the converter is maintained high by adjusting the converter topology and operating frequency according to the loading conditions. The proposed SC DC-DC converter uses three different topologies to achieve three different conversion ratios. By doing so, the converter maintains high conversion efficiency at various output voltage levels. Also, an adaptive operating frequency is used by the asynchronous control to reduce efficiency losses at various loading conditions.

Document en libre accès dans PolyPublie
Département: Département de génie électrique
Directeur de mémoire/thèse: Mohamad Sawan et Yvon Savaria
Date du dépôt: 25 févr. 2011 14:41
Dernière modification: 24 oct. 2018 16:10
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/425/

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