Modular Architecture For Ultra Low Power Switched-Capacitor DC-DC Converters
Pablo Castro Lisboa
Master thesis from Universidad de la República, Facultad de Ingeniería - Feb. 2012
Advisor: Fernando Silveira
Co-advisor: Gabriel Eirea
Research Group(s): Microelectronica (gme)
Department(s): Electrónica
Descargar la publicación : Cas12.pdf [1.5Mo]  

Resumen

Este trabajo presenta una arquitectura novedosa para la implementacion de convertidores DC-DC de condensadores conmutados de Ultra Bajo Consumo para aplicaciones como dispositivos implantables, redes de sensores inalambricos, dispositivos portatiles, entre otros. El objetivo es suministrar energia a circuitos digitales tales como microcontroladores usando la tecnica de escalado dinamico de voltaje que permite manejar el compromiso entre la performance y el consumo del circuito. Otra importante aplicacion de este tipo de convertidores es para las nuevas tecnologias donde los transistores no soportan el voltaje entregado por los distintos tipos de pilas. Cuantos mas niveles de conversion tenga el convertidor mejor se puede aplicar la tecnica de escalado dinamico de voltaje. Esto es porque diferentes niveles de performance de un circuito digital necesitan diferentes voltajes de alimentacion para minimizar la potencia disipada alcanzando la performance necesaria. Existen algunos trabajos en el area, todos ellos tienen la particularidad de utilizar arquitecturas rigidas basadas en configuraciones particulares para cada nivel de conversion. Esto hace que este tipo de convertidores no sea apropiado para aumentar facilmente la cantidad de niveles de conversion. La arquitectura propuesta en este trabajo tiene la particularidad de ser modular y permite facilmente agregar mas niveles de conversion si fuera necesario, a la vez que simplifica el diseño Cada modulo esta compuesto por un condensador y una configuracion de cuatro switches. El numero de modulos usado en el convertidor define el numero de niveles de conversion. Los modulos son conectados en forma de anillo el cual puede ser abierto en cualquiera de los nodos con el fin de conectar la fuente de alimentacion. Luego la carga es conectada a uno de los nodos intermedios del anillo segun el nivel de conversion deseado. Dada la modularidad del convertidor un modelo numerico general fue desarrollado. Este modelo permite tener una prediccion de la performance del convertidor para un numero arbitrario de niveles de conversion. Dado que el modelo utiliza datos extraidos de simulaciones electricas y algunos parametros de la tecnologia, facilmente puede ser usado para cualquier tecnologia. El modelo es apropiado para realizar exploraciones del espacio de diseño y evitar los prolongados tiempos de las simulaciones electricas. Un convertidor de cuatro niveles de conversion fue desarrollado y simulado a nivel electrico en la tecnologia On Semi 0,5µm con un voltaje de alimentacion de 2,8V . El pico de eficiencia alcanzado es de 78%. Esta performance es similar a la alcanzada por los trabajos existentes en la literatura. Para este convertidor la logica fue implementado, pero no el lazo de control que fija la tension de salida. Una novedosa tecnica para disminuir las perdidas en las capacidades parasitas fue propuesta y simulada. Dicha tecnica realiza una redistribucion de la carga entre las capacidades parasitas que necesitan perder energia y aquellas que necesitan ganarla. Dado que las perdidas en las capacidades parasitas son dominantes en esta arquitectura, una mejora significativa fue lograda en la eficiencia a partir de la aplicacion de esta tecnica.

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