A Novel Floating High-Voltage Level Shifter with Pre-Storage Technique

This paper proposes a novel floating high-voltage level shifter (FHV-LS) with the pre-storage technique for high speed and low deviation in propagation delay. With this technology, the transmission paths from input to output are optimized, and thus the propagation delay of the proposed FHV-LS is reduced to as low as the sub-nanosecond scale. To further reduce the propagation delay, a pull-up network with regulated strength is introduced to reduce the fall time, which is a crucial part of the propagation delay. In addition, a pseudosymmetrical input pair is used to improve the symmetry of FHV-LS structurally to balance between the rising and falling propagation delays. Moreover, a start-up circuit is developed to initialize the output state of FHV-LS during the VDDH power up. The proposed FHV-LS is implemented using 0.3-µm HVCMOS technology. Post-layout simulation shows that the propagation delays and energy per transition of the proposed FHV-LS are 384 ps and 77.7 pJ @VH = 5 V, respectively. Finally, the 500-points Monte Carlo are performed to verify the performance and the stability

Reconfigurable Gate Driver Toward High-Power Efficiency and High-Power Density Converters

Les systèmes de gestion de l'énergie exigent des convertisseurs de puissance pour fournir une conversion de puissance adaptée à diverses utilisations. Il existe différents types de convertisseurs de puissance, tel que les amplificateurs de puissance de classe D, les demi-ponts, les ponts complets, les amplificateurs de puissance de classe E, les convertisseurs buck et dernièrement les convertisseurs boost. Prenons par exemple les dispositifs implantables, lorsque l'énergie est prélevée de la source principale, des convertisseurs de puissance buck ou boost sont nécessaires pour traiter l'énergie de l'entrée et fournir une énergie propre et adaptée aux différentes parties du système. D'autre part, dans les stations de charge des voitures électriques, les nouveaux téléphones portables, les stimulateurs neuronaux, etc., l'énergie sans fil a été utilisée pour assurer une alimentation à distance, et des amplificateurs de puissance de classe E sont développés pour accomplir cette tâche. Les amplificateurs de puissance de classe D sont un excellent choix pour les casques d'écoute ou les haut-parleurs en raison de leur grande efficacité. Dans le cas des interfaces de capteurs, les demi-ponts et les ponts complets sont les interfaces appropriées entre les systèmes à faible et à forte puissance. Dans les applications automobiles, l'interface du capteur reçoit le signal du côté puissance réduite et le transmet à un réseau du côté puissance élevée. En outre, l'interface du capteur doit recevoir un signal du côté haute puissance et le convertir vers la côté basse puissance. Tous les systèmes mentionnés ci-dessus nécessitent l'inclusion d'un pilote de porte spécifique dans les circuits, selon les applications. Les commandes de porte comprennent généralement un décalage du niveau de commande niveau supérieur, le levier de changement de niveau inférieur, une chaîne de tampon, un circuit de verrouillage sous tension, un circuit de temps mort, des portes logiques, un inverseur de Schmitt et un mécanisme de démarrage. Ces circuits sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des systèmes de conversion de puissance. Un circuit d'attaque de porte reconfigurable prendrait en charge une vaste gamme de convertisseurs de puissance ayant une tension d'entrée V[indice IN] et un courant de sortie I[indice Load] variables. L'objectif de ce projet est d'étudier intensivement les causes de différentes pertes dans les convertisseurs de puissance et de proposer ensuite de nouveaux circuits et méthodologies dans les différents circuits des conducteurs de porte pour atteindre une conversion de puissance avec une haute efficacité et densité de puissance. Nous proposons dans cette thèse de nouveaux circuits de gestion des temps mort, un Shapeshifter de niveau plus élevé et un Shapeshifter de niveau inférieur avec de nouvelles topologies qui ont été pleinement caractérisées expérimentalement. De plus, l'équation mathématique du temps mort optimal pour les faces haute et basse d'un convertisseur buck est dérivée et expérimentalement prouvée. Les circuits intégrés personnalisés et les méthodologies proposées sont validés avec différents convertisseurs de puissance, tels que les convertisseurs semi-pont et en boucle ouverte, en utilisant des composants standard pour démontrer leur supériorité sur les solutions traditionnelles. Les principales contributions de cette recherche ont été présentées à sept conférences prestigieuses, trois articles évalués par des pairs, qui ont été publiés ou présentés, et une divulgation d'invention. Une contribution importante de ce travail recherche est la proposition d'un nouveau générateur actif CMOS intégré dédié de signaux sans chevauchement. Ce générateur a été fabriqué à l'aide de la technologie AMS de 0.35µm et consomme 16.8mW à partir d'une tension d'alimentation de 3.3V pour commander de manière appropriée les côtés bas et haut d'un demi-pont afin d'éliminer la propagation. La puce fabriquée est validée de façon expérimentale avec un demi-pont, qui a été mis en œuvre avec des composants disponibles sur le marché et qui contrôle une charge R-L. Les résultats des mesures montrent une réduction de 40% de la perte totale d'un demi-pont de 45V d'entrée à 1MHz par rapport au fonctionnement du demi-pont sans notre circuit intégré dédié. Le circuit principal du circuit d'attaque de grille côté haut est le décaleur de niveau, qui fournit un signal de grande amplitude pour le commutateur de puissance côté haut. Une nouvelle structure de décalage de niveau avec un délai de propagation minimal doit être présentée. Nous proposons une nouvelle topologie de décalage de niveau pour le côté haut des drivers de porte afin de produire des convertisseurs de puissance efficaces. Le SL présente des délais de propagation mesurés de 7.6ns. Les résultats mesurés montrent le fonctionnement du circuit présenté sur la plage de fréquence de 1MHz à 130MHz. Le circuit fabriqué consomme 31.5pW de puissance statique et 3.4pJ d'énergie par transition à 1kHz, V[indice DDL] = 0.8V , V[indice DDH] = 3.0V, et une charge capacitive C[indice L] = 0.1pF. La consommation énergétique totale mesurée par rapport à la charge capacitive de 0.1 à 100nF est indiquée. Un autre nouveau décalage vers le bas est proposé pour être utilisé sur le côté bas des pilotes de portes. Ce circuit est également nécessaire dans la partie Rₓ du réseau de bus de données pour recevoir le signal haute tension du réseau et délivrer un signal de faible amplitude à la partie basse tension. L'une des principales contributions de ces travaux est la proposition d'un modèle de référence pour l'abaissement de niveau à puissance unique reconfigurable. Le circuit proposé pilote avec succès une gamme de charges capacitives allant de 10fF à 350pF. Le circuit présenté consomme des puissances statiques et dynamiques de 62.37pW et 108.9µW, respectivement, à partir d'une alimentation de 3.3V lorsqu'il fonctionne à 1MHz et pilote une charge capacitive de 10pF. Les résultats de la simulation post-layout montrent que les délais de propagation de chute et de montée dans les trois configurations sont respectivement de l'ordre de 0.54 à 26.5ns et de 11.2 à 117.2ns. La puce occupe une surface de 80µm × 100µm. En effet, les temps morts des côtés hauts et bas varient en raison de la différence de fonctionnement des commutateurs de puissance côté haut et côté bas, qui sont respectivement en commutation dure et douce. Par conséquent, un générateur de temps mort reconfigurable asymétrique doit être ajouté aux pilotes de portes traditionnelles pour obtenir une conversion efficace. Notamment, le temps mort asymétrique optimal pour les côtés hauts et bas des convertisseurs de puissance à base de Gan doit être fourni par un circuit de commande de grille reconfigurable pour obtenir une conception efficace. Le temps mort optimal pour les convertisseurs de puissance dépend de la topologie. Une autre contribution importante de ce travail est la dérivation d'une équation précise du temps mort optimal pour un convertisseur buck. Le générateur de temps mort asymétrique reconfigurable fabriqué sur mesure est connecté à un convertisseur buck pour valider le fonctionnement du circuit proposé et l'équation dérivée. De plus le rendement d'un convertisseur buck typique avec T[indice DLH] minimum et T[indice DHL] optimal (basé sur l'équation dérivée) à I[indice Load] = 25mA est amélioré de 12% par rapport à un convertisseur avec un temps mort fixe de T[indice DLH] = T[indice DHL] = 12ns.Power management systems require power converters to provide appropriate power conversion for various purposes. Class D power amplifiers, half and full bridges, class E power amplifiers, buck converters, and boost converters are different types of power converters. Power efficiency and density are two prominent specifications for designing a power converter. For example, in implantable devices, when power is harvested from the main source, buck or boost power converters are required to receive the power from the input and deliver clean power to different parts of the system. In charge stations of electric cars, new cell phones, neural stimulators, and so on, power is transmitted wirelessly, and Class E power amplifiers are developed to accomplish this task. In headphone or speaker driver applications, Class D power amplifiers are an excellent choice due to their great efficiency. In sensor interfaces, half and full bridges are the appropriate interfaces between the low- and high-power sides of systems. In automotive applications, the sensor interface receives the signal from the low-power side and transmits it to a network on the high-power side. In addition, the sensor interface must receive a signal from the high-power side and convert it down to the low-power side. All the above-summarized systems require a particular gate driver to be included in the circuits depending on the applications. The gate drivers generally consist of the level-up shifter, the level-down shifter, a buffer chain, an under-voltage lock-out circuit, a deadtime circuit, logic gates, the Schmitt trigger, and a bootstrap mechanism. These circuits are necessary to achieve the proper functionality of the power converter systems. A reconfigurable gate driver would support a wide range of power converters with variable input voltage V[subscript IN] and output current I[subscript Load]. The goal of this project is to intensively investigate the causes of different losses in power converters and then propose novel circuits and methodologies in the different circuits of gate drivers to achieve power conversion with high-power efficiency and density. We propose novel deadtime circuits, level-up shifter, and level-down shifter with new topologies that were fully characterized experimentally. Furthermore, the mathematical equation for optimum deadtimes for the high and low sides of a buck converter is derived and proven experimentally. The proposed custom integrated circuits and methodologies are validated with different power converters, such as half bridge and open loop buck converters, using off-the-shelf components to demonstrate their superiority over traditional solutions. The main contributions of this research have been presented in seven high prestigious conferences, three peer-reviewed articles, which have been published or submitted, and one invention disclosure. An important contribution of this research work is the proposal of a novel custom integrated CMOS active non-overlapping signal generator, which was fabricated using the 0.35−µm AMS technology and consumes 16.8mW from a 3.3−V supply voltage to appropriately drive the low and high sides of the half bridge to remove the shoot-through. The fabricated chip is validated experimentally with a half bridge, which was implemented with off-the-shelf components and driving a R-L load. Measurement results show a 40% reduction in the total loss of a 45 − V input 1 − MHz half bridge compared with the half bridge operation without our custom integrated circuit. The main circuit of high-side gate driver is the level-up shifter, which provides a signal with a large amplitude for the high-side power switch. A new level shifter structure with minimal propagation delay must be presented. We propose a novel level shifter topology for the high side of gate drivers to produce efficient power converters. The LS shows measured propagation delays of 7.6ns. The measured results demonstrate the operation of the presented circuit over the frequency range of 1MHz to 130MHz. The fabricated circuit consumes 31.5pW of static power and 3.4pJ of energy per transition at 1kHz, V[subscript DDL] = 0.8V , V[subscript DDH] = 3.0V , and capacitive load C[subscript L] = 0.1pF. The measured total power consumption versus the capacitive load from 0.1pF to 100nF is reported. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. This circuit is also required in the Rₓ part of the data bus network to receive the high-voltage signal from the network and deliver a signal with a low amplitude to the low-voltage part. An essential contribution of this work is the proposal of a single supply reconfigurable level-down shifter. The proposed circuit successfully drives a range of capacitive load from 10fF to 350pF. The presented circuit consumes static and dynamic powers of 62.37pW and 108.9µW, respectively, from a 3.3 − V supply when working at 1MHz and drives a 10pF capacitive load. The post-layout simulation results show that the fall and rise propagation delays in the three configurations are in the range of 0.54 − 26.5ns and 11.2 − 117.2ns, respectively. Its core occupies an area of 80µm × 100µm. Indeed, the deadtimes for the high and low sides vary due to the difference in the operation of the high- and low-side power switches, which are under hard and soft switching, respectively. Therefore, an asymmetric reconfigurable deadtime generator must be added to the traditional gate drivers to achieve efficient conversion. Notably, the optimal asymmetric deadtime for the high and low sides of GaN-based power converters must be provided by a reconfigurable gate driver to achieve efficient design. The optimum deadtime for power converters depends on the topology. Another important contribution of this work is the derivation of an accurate equation of optimum deadtime for a buck converter. The custom fabricated reconfigurable asymmetric deadtime generator is connected to a buck converter to validate the operation of the proposed circuit and the derived equation. The efficiency of a typical buck converter with minimum T[subscript DLH] and optimal T[subscript DHL] (based on the derived equation) at I[subscript Load] = 25mA is improved by 12% compared to a converter with a fixed deadtime of T[subscript DLH] = T[subscript DHL] = 12ns

Wireless Power Transfer System for Battery-Less Body Implantable Devices

Department of Electrical EngineeringAs the life expectancy is increased and the welfare is promoted, researches on the body implantable medical devices (BIMD) are actively being carried out, and products providing more various functions are being released. On the other hand, due to these various functions, the power consumption of the BIMD is also increased, so that the primary battery alone cannot provide sufficient power for the devices. The limited capacity and life time of batteries force patients to make an additional payment and suffering for the power supply of the BIMD. Wireless power transfer technology is the technology which has been making remarkable progress mainly in wireless charging for personal portable devices and electric vehicles. Convergence of wireless power transfer technology (WPT) and rechargeable battery can extend the life time of the BIMD and reduce the suffering and the cost for battery replacements. Furthermore, WPT enables the devices which do not need to operate consistently such as body implantable sensor devices to be used without batteries. In this dissertation, techniques to support WPT for BIMD are introduced and proposed. First, basic researches on magnetic coupled WPT are presented. The basics which are important factors to analyze power transmission are introduced. In addition, circuits that make up the WPT system are described. There are three common technical challenges in WPT. Those are efficiency degradation on coil geometry, voltage gain variation with coil geometry, and power losses in WPT. The common challenges are discussed in chapter II. Moreover, additional challenges which are arisen in WPT for BIMD and approaches to resolve the challenges are addressed in chapter II. Then, efficiency improvement techniques and control techniques in WPT are presented in chapter III. The presented techniques to improve efficiency are applied in coil parts and circuit parts. In coil parts, efficiency enhancement technique by geometric variation is proposed. In circuit parts, instantaneous power consuming technique for step-down converter is suggested. Li-ion battery charger is also discussed in chapter III. Additionally, the wireless controlled constant current / constant voltage charging mode and the proposed step charging method are described. After that, WPT system for BIMD is discussed one by one with the proposed techniques for each part in chapter IV. A load transformation is suggested to improve efficiency in weak coupling, and suppress voltage gain variation under coil displacement. Power conversion efficiency improvement techniques for rectifier and converter are also proposed. By using the proposed technique for the converter, we can remove the bootstrap capacitors, and reduce the overall size of power circuits. In conclusion, techniques in coil parts and circuit parts to handle challenges in WPT for BIMD are fully investigated in this thesis in addition to the efficiency improvement and control techniques in common WPT. All the techniques are verified through simulations or experiments. The approaches realized in the thesis can be applied to other applications employing the WPT.clos

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

A high-voltage pulsed power modulator for fast-rising arbitrary waveforms

This work presents the design and testing of a new semiconductor-based pulsed power modulator meeting the challenging requirements of a pulsed electron beam device (GESA): a fast-rising (10^12 V/s) output voltage with arbitrary waveform of maximum 120 kV at a maximum current of 600 A for a pulse duration of up to 100 µs