Integrated high-voltage switched-capacitor DC-DC converters

The focus of this work is on the integrated circuit (IC) level integration of high-voltage switched-capacitor (SC) converters with the goal of fully integrated power management solutions for system-on-chip (SoC) and system-in-pagage (SiP) applications. The full integration of SC converters provides a low cost and compact power supply solution for modern electronics. Currently, there are almost no fully integrated SC converters with input voltages above 5 V. The purpose of this work is to provide solutions for higher input voltages. The increasing challenges of a compact and efficient power supply on the chip are addressed. High-voltage rated components and the increased losses caused by parasitics not only reduce power density but also efficiency. Loss mechanisms in high-voltage SC converters are investigated resulting in an optimized model for high-voltage SC converters. The model developed allows an appropriate comparison of different semiconductor technologies and converter topologies. Methods and design proposals for loss reduction are presented. Control of power switches with their supporting circuits is a further challenge for high-voltage SC converters. The aim of this work is to develop fully integrated SC converters with a wide input voltage range. Different topologies and concepts are investigated. The implemented fully integrated SC converter has an input voltage range of 2 V to 13 V. This is twice the range of existing converters. This is achieved by an implemented buck and boost mode as well as 17 conversion ratios. Experimental results show a peak efficiency of 81.5%. This is the highest published peak efficiency for fully integrated SC converters with an input voltage > 5V. With the help of the model developed in this work, a three-phase SC converter topology for input voltages up to 60 V is derived and then investigated and discussed. Another focus of this work is on the power supply of sensor nodes and smart home applications with low-power consumption. Highly integrated micro power supplies that operate directly from mains voltage are particularly suitable for these applications. The micro power supply proposed in this work utilizes the high-voltage SC converter developed. The output power is 14 times higher and the power density eleven times higher than prior work. Since plenty of power switches are built into modern multi-ratio SC converters, the switch control circuits must be optimized with regard to low-power consumption and area requirements. In this work, different level shifter concepts are investigated and a low-power high-voltage level shifter for 50 V applications based on a capacitive level shifter is introduced. The level shifter developed exceeds the state of the art by a factor of more than eleven with a power consumption of 2.1pJ per transition. A propagation delay of 1.45 ns is achieved. The presented high-voltage level shifter is the first level shifter for 50 V applications with a propagation delay below 2 ns and power consumption below 20pJ per transition. Compared to the state of the art, the figure of merit is significantly improved by a factor of two. Furthermore, various charge pump concepts are investigated and evaluated within the context of this work. The charge pump, optimized in this work, improves the state of the art by a factor of 1.6 in terms of efficiency. Bidirectional switches must be implemented at certain locations within the power stage to prevent reverse conduction. The topology of a bidirectional switch developed in this work reduces the dynamic switching losses by 70% and the area consumption including the required charge pumps by up to 65% compared to the state of the art. These improvements make it possible to control the power switches in a fast and efficient way. Index terms — integrated power management, high input voltage, multi-ratio SC converter, level shifter, bidirectional switch, micro power supplyDer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung von Switched-Capacitor (SC) Spannungswandler für höhere Eingangsspannungen. Ziel der Arbeit ist es Lösungen für ein voll auf dem Halbleiterchip integriertes Power Management anzubieten um System on Chip (SoC) und System in Package (SiP) zu ermöglichen. Die vollständige Integration von SC Spannungswandlern bietet eine kostengünstige und kompakte Spannungsversorgungslösung für moderne Elektronik. Der kontinuierliche Trend hin zu immer kompakterer Elektronik und hin zu höheren Versorgungsspannungen wird in dieser Arbeit adressiert. Aktuell gibt es sehr wenige voll integrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Die mit steigender Spannung zunehmenden Herausforderungen an eine kompakte und effiziente Spannungsversorgung auf dem Chip werden in dieser Arbeit untersucht. Die höhere Spannungsfestigkeit der verwendeten Komponenten korreliert mit erhöhten Verlusten und erhöhtem Flächenverbrauch, welche sich negativ auf den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von SC Spannungswandlern auswirkt. Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Verlustmechanismen und die Entwicklung eines Modells, welches speziell für höhere Spannungen optimiert wurde. Das vorgestellte Modell ermöglicht zum einen die optimale Dimensionierung der Spannungswandler und zum anderen faire Vergleichsmöglichkeiten zwischen verschiedenen SC Spannungswandler Architekturen und Halbleitertechnologien. Demnach haben sowohl die gewählte Architektur und Halbleitertechnologie als auch die Kombination aus gewählter Architektur und Technologie erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler. Ziel dieser Arbeit ist die Vollintegration eines SC Spannungswandlers mit einem weiten und hohen Eingangsspannungsbereich zu entwickeln. Dazu wurden verschiedene Schaltungsarchitekturen und Konzepte untersucht. Der vorgestellte vollintegrierte SC Spannungswandler weist einen Eingangsspannungsbereich von 2 V bis 13 V auf. Dies ist eine Verdopplung im Vergleich zum Stand der Technik. Dies wird durch einen implementierten Auf- und Abwärtswandler-Betriebsmodus sowie 17 Übersetzungsverhältnisse erreicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen einen Spitzenwirkungsgrad von 81.5%. Dies ist der höchste veröffentlichte Spitzenwirkungsgrad für vollintegrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells wird eine dreiphasige SC Spannungswandler Architektur für Eingangsspannungen bis zu 60 V entwickelt und anschließend analysiert und diskutiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit adressiert die kompakte Spannungsversorgung von Sensorknoten mit geringem Stromverbrauch, für Anwendungen wie Smart Home und Internet der Dinge (IoT). Für diese Anwendungen eignen sich besonders gut hochintegrierte Mikro-Netzteile, welche direkt mit dem 230VRMS-Hausnetz (bzw. 110VRMS) betrieben werden können. Das in dieser Arbeit vorgestellte Mikro-Netzteil nutzt einen in dieser Arbeit entwickelten SC Spannungswandler für hohe Eingangsspannungen. Die damit erzielte Ausgangsleistung ist 14-mal größer im Vergleich zum Stand der Technik. In SC Spannungswandlern für hohe Spannungen werden viele Leistungsschalter benötigt, deshalb muss bei der Schalteransteuerung besonders auf einen geringen Leistungsverbrauch und Flächenbedarf der benötigten Schaltungsblöcke geachtet werden. Gegenstand dieser Arbeit ist sowohl die Analyse verschiedener Konzepte für Pegelumsetzer, als auch die Entwicklung eines stromsparenden Pegelumsetzers für 50 V-Anwendungen. Mit einer Leistungsaufnahme von 2.1pJ pro Signalübergang reduziert der entwickelte Pegelumsetzer mit kapazitiver Kopplung um mehr als elfmal die Leistungsaufnahme im Vergleich zum Stand der Technik. Die erreichte Laufzeitverzögerung beträgt 1.45 ns. Damit erzielt der vorgestellte Hochspannungs-Pegelumsetzer als erster Pegelumsetzer für 50 V-Anwendungen eine Laufzeitverzögerung unter 2 ns und eine Leistungsaufnahme unter 20pJ pro Signalwechsel. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Leistungskennzahl um den Faktor zwei deutlich verbessert. Darüber hinaus werden im Rahmen dieser Arbeiten verschiedene Ladungspumpenkonzepte untersucht und bewertet. Die in dieser Arbeit optimierte Ladungspumpe verbessert den Stand der Technik um den Faktor 1.6 in Bezug auf den Wirkungsgrad. Die in dieser Arbeit entwickelte Schaltungsarchitektur eines bidirektionalen Schalters reduziert die dynamischen Schaltverluste um 70% und den benötigten Flächenbedarf inklusive der benötigten Ladungspumpe um bis zu 65% gegenüber dem Stand der Technik. Diese Verbesserungen ermöglichen es, die Leistungsschalter schnell und effizient anzusteuern. Schlagworte — Integriertes Powermanagement, hohe Eingangsspannung, Multi-Ratio SC Spannungswan- dler, Pegelumsetzer, bidirektionaler Schalter, Mikro-Netztei