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    Integrated high-voltage switched-capacitor DC-DC converters

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    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

    Dual-frequency single-inductor multiple-output (DF-SIMO) power converter topology for SoC applications

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    Modern mixed-signal SoCs integrate a large number of sub-systems in a single nanometer CMOS chip. Each sub-system typically requires its own independent and well-isolated power supply. However, to build these power supplies requires many large off-chip passive components, and thus the bill of material, the package pin count, and the printed circuit board area and complexity increase dramatically, leading to higher overall cost. Conventional (single-frequency) Single-Inductor Multiple-Output (SIMO) power converter topology can be employed to reduce the burden of off-chip inductors while producing a large number of outputs. However, this strategy requires even larger off-chip output capacitors than single-output converters due to time multiplexing between the multiple outputs, and thus many of them suffer from cross coupling issues that limit the isolation between the outputs. In this thesis, a Dual-Frequency SIMO (DF-SIMO) buck converter topology is proposed. Unlike conventional SIMO topologies, the DF-SIMO decouples the rate of power conversion at the input stage from the rate of power distribution at the output stage. Switching the input stage at low frequency (~2 MHz) simplifies its design in nanometer CMOS, especially with input voltages higher than 1.2 V, while switching the output stage at higher frequency enables faster output dynamic response, better cross-regulation, and smaller output capacitors without the efficiency and design complexity penalty of switching both the input and output stages at high frequency. Moreover, for output switching frequency higher than 100 MHz, the output capacitors can be small enough to be integrated on-chip. A 5-output 2-MHz/120-MHz design in 45-nm CMOS with 1.8-V input targeting low-power microcontrollers is presented as an application. The outputs vary from 0.6 to 1.6 V, with 4 outputs providing up to 15 mA and one output providing up to 50 mA. The design uses single 10-uH off-chip inductor, 2-nF on-chip capacitor for each 15-mA output and 4.5-nF for the 50-mA output. The peak efficiency is 73%, Dynamic Voltage Scaling (DVS) is 0.6 V/80 ns, and settling time is 30 ns for half-to-full load steps with no observable overshoot/undershoot or cross-coupling transients. The DF-SIMO topology enables realizing multiple efficient power supplies with faster dynamic response, better cross-regulation, and lower overall cost compared to conventional SIMO topologies

    Asynchronous Circuit Stacking for Simplified Power Management

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    As digital integrated circuits (ICs) continue to increase in complexity, new challenges arise for designers. Complex ICs are often designed by incorporating multiple power domains therefore requiring multiple voltage converters to produce the corresponding supply voltages. These converters not only take substantial on-chip layout area and/or off-chip space, but also aggregate the power loss during the voltage conversions that must occur fast enough to maintain the necessary power supplies. This dissertation work presents an asynchronous Multi-Threshold NULL Convention Logic (MTNCL) “stacked” circuit architecture that alleviates this problem by reducing the number of voltage converters needed to supply the voltage the ICs operate at. By stacking multiple MTNCL circuits between power and ground, supplying a multiple of VDD to the entire stack and incorporating simple control mechanisms, the dynamic range fluctuation problem can be mitigated. A 130nm Bulk CMOS process and a 32nm Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS process are used to evaluate the theoretical effect of stacking different circuitry while running different workloads. Post parasitic physical implementations are then carried out in the 32nm SOI process for demonstrating the feasibility and analyzing the advantages of the proposed MTNCL stacking architecture

    Evaluation and implementation of a 5-level hybrid DC-DC converter

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    In this work, a hybrid voltage regulator topology is analyzed, implemented, and evaluated. The common topologies of DC-DC converters have proven to be lacking in some aspects, such as integrability for buck converters, or maximum efficiency for switched-capacitor regulators. The hybrid topology tackles these shortcomings by combining the advantages of switched-capacitor and inductor-based voltage regulators. A 5-level buck converter is evaluated, implemented, and compared to other converter implementations using the same components. The 5-Level Buck converter can achieve 5 different levels, allowing it to cover 4 operation regions, each between 2 levels. Accordingly, it covers a wide range of output voltages. By reducing the voltage difference at the inductor input, the 5-level buck converter can use smaller inductor compared to both 3-level and conventional buck converters which makes it cheaper, smaller in size, and much more efficient. Simulations show proper functionality of the 5-Level topology, while putting restrictions on the inductor size, efficiency, and component footprint (or total converter area). A test PCB is implemented for verification of the functionality and experimental measurements show that for the same switching frequency and inductor size, the 5-level buck converter achieves up to 15% efficiency improvement over a conventional buck converter and a 3-level buck converter at certain output voltage ranges. Peak efficiency of 94% has been achieved by the 5-Level hybrid converter, which includes all external switching and conduction losses. The proposed hybrid topology proved to yield high conversion efficiency even in the face of component size limitations, which indicates potential benefit in using multilevel converters for several off-chip as well as on-chip applications
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