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 implementación de convertidores DC-DC de condensadores conmutados de Ultra Bajo Consumo para aplicaciones como dispositivos implantables, redes de sensores inalámbricos, dispositivos portátiles, entre otros. El objetivo es suministrar energía a circuitos digitales tales como microcontroladores usando la técnica de escalado dinámico de voltaje que permite manejar el compromiso entre la performance y el consumo del circuito. Otra importante aplicación de este tipo de convertidores es para las nuevas tecnologías donde los transistores no soportan el voltaje entregado por los distintos tipos de pilas. Cuantos mas niveles de conversión tenga el convertidor mejor se puede aplicar la técnica de escalado dinámico de voltaje. Esto es porque diferentes niveles de performance de un circuito digital necesitan diferentes voltajes de alimentación para minimizar la potencia disipada alcanzando la performance necesaria. Existen algunos trabajos en el área, todos ellos tienen la particularidad de utilizar arquitecturas rígidas basadas en configuraciones particulares para cada nivel de conversión. Esto hace que este tipo de convertidores no sea apropiado para aumentar fácilmente la cantidad de niveles de conversión. La arquitectura propuesta en este trabajo tiene la particularidad de ser modular y permite fácilmente agregar mas niveles de conversión si fuera necesario, a la vez que simplifica el diseño. Cada módulo está compuesto por un condensador y una configuración de cuatro switches. El número de módulos usado en el convertidor define el número de niveles de conversión. Los módulos son conectados en forma de anillo el cual puede ser abierto en cualquiera de los nodos con el fin de conectar la fuente de alimentación. Luego la carga es conectada a uno de los nodos intermedios del anillo según el nivel de conversión deseado. Dada la modularidad del convertidor un modelo numérico general fue desarrollado. Este modelo permite tener una predicción de la performance del convertidor para un número arbitrario de niveles de conversión. Dado que el modelo utiliza datos extraidos de simulaciones eléctricas y algunos parámetros de la tecnología, fácilmente puede ser usado para cualquier tecnología. El modelo es apropiado para realizar exploraciones del espacio de diseño y evitar los prolongados tiempos de las simulaciones eléctricas. Un convertidor de cuatro niveles de conversión fue desarrollado y simulado a nivel eléctrico en la tecnología On Semi 0,5µm con un voltaje de alimentación 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 lógica fue implementado, pero no, el lazo de control que fija la tensión de salida. Una novedosa técnica para disminuir las pérdidas en las capacidades parásitas fue propuesta y simulada. Dicha técnica realiza una redistribución de la carga entre las capacidades parásitas que necesitan perder energia y aquellas que necesitan ganarla. Dado que las pérdidas en las capacidades parásitas son dominantes en esta arquitectura, una mejora significativa fue lograda en la eficiencia a partir de la aplicación de esta técnica.

Datos adicionales

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