High-Efficiency Low-Voltage Rectifiers for Power Scavenging Systems

Abstract Rectifiers are commonly used in electrical energy conversion chains to transform the energy obtained from an AC signal source to a DC level. Conventional bridge and gate cross-coupled rectifier topologies are not sufficiently power efficient, particularly when input amplitudes are low. Depending on their rectifying element, their power efficiency is constrained by either the forward-bias voltage drop of a diode or the threshold voltage of a diode-connected MOS transistor. Advanced passive rectifiers use threshold cancellation techniques to effectively reduce the threshold voltage of MOS diodes. Active rectifiers use active circuits to control the conduction angle of low-loss MOS switches. In this thesis, an active rectifier with a gate cross-coupled topology is proposed, which replaces the diode-connected MOS transistors of a conventional rectifier with low-loss MOS switches. Using the inherent characteristics of MOS transistors as comparators, dynamic biasing of the bulks of main switches and small pull-up transistors, the proposed self-supplied active rectifier exhibits smaller voltage drop across the main switches leading to a higher power efficiency compared to conventional rectifier structures for a wide range of operating frequencies in the MHz range. Delivery of high load currents is another feature of the proposed rectifier. Using the bootstrapping technique, single- and double-reservoir based rectifiers are proposed. They present higher power and voltage conversion efficiencies compared to conventional rectifier structures. With a source amplitude of 3.3 V, when compared to the gate cross-coupled topology, the proposed active rectifier offers power and voltage conversion efficiencies improved by up to 10% and 16% respectively. The proposed rectifier using the bootstrap technique, including double- and single-reservoir schemes, are well suited for very low input amplitudes. They present power and voltage conversion efficiencies of 75% and 76% at input amplitude of 1.0 V and maintain their high efficiencies over input amplitudes greater than 1.0V. Single-reservoir bootstrap rectifier also reduces die area by 70% compared to its double-reservoir counterpart.---------Résumé Les redresseurs sont couramment utilisés dans de nombreux systèmes afin de transformer l'énergie électrique obtenue à partir d'une source alternative en une alimentation continue. Les topologies traditionnelles telles que les ponts de diodes et les redresseurs se servant de transistors à grilles croisées-couplées ne sont pas suffisamment efficaces en terme d’énergie, en particulier pour des signaux à faibles amplitudes. Dépendamment de leur élément de redressement, leur efficacité en termes de consommation d’énergie est limitée soit par la chute de tension de polarisation directe d'une diode, soit par la tension de seuil du transistor MOS. Les redresseurs passifs avancés utilisent une technique de conception pour réduire la tension de seuil des diodes MOS. Les redresseurs actifs utilisent des circuits actifs pour contrôler l'angle de conduction des commutateurs MOS à faible perte. Dans cette thèse, nous avons proposé un redresseur actif avec une topologie en grille croisée-couplée. Elle utilise des commutateurs MOS à faible perte à la place des transistors MOS connectés en diode comme redresseurs. Le circuit proposé utilise: des caractéristiques intrinsèques des transistors MOS pour les montages comparateurs et une polarisation dynamique des substrats des commutateurs principaux supportés par de petits transistors de rappel. Le redresseur proposé présente des faibles chutes de tension à travers le commutateur principal menant à une efficacité de puissance plus élevée par rapport aux structures d’un redresseur conventionnel pour une large gamme de fréquences de fonctionnement de l’ordre des MHz. La conduction des courants de charge élevée est une autre caractéristique du redresseur proposé. En utilisant la méthode de bootstrap, des redresseurs à simple et à double réservoir sont proposés. Ils présentent une efficacité de puissance et un rapport de conversion de tension élevés en comparaison avec les structures des redresseurs conventionnels. Avec une amplitude de source de 3,3 V, le redresseur proposé offre des efficacités de puissance et de conversion de tension améliorées par rapport au circuit à transistors croisés couplés. Ces améliorations atteignent 10% et 16% respectivement. Les redresseurs proposés utilisent la technique de bootstrap. Ils sont bien adaptés pour des amplitudes d'entrée très basses. À une amplitude d'entrée de 1,0 V, ces derniers redresseurs présentent des rendements de conversion de puissance et de tension de 75% et 76%. Le redresseur à simple réservoir réduit également l’aire de silicium requise de 70% par rapport à la version à double-réservoir

Characterization of integrated MOS circuits under voltage stress and application to power conversion chains of electronic implants

Motivation -- Research goals -- Thesis outline -- Power conversion chain for electronic implant -- Implant power-up techniques -- Constraints and limitations -- Conventional PCC's architecture -- Smart synchronous rectifier -- Smart synchronous rectifier versus classical diode rectifier -- New PCC architectures based on SSR -- High-efficient voltage multiplier -- Charge pump -- Single-stage voltage multiplier -- Voltage multiplier characteristics -- Power efficiency improvement -- Low-voltage application -- Multi-stage voltage multiplier -- Reliability challenges of CMOS under sub-micron regime -- Short channel effects -- Narrow-channel effects -- Subthreshold and leakage currents -- Hot carriers effects -- Punch-through -- Breakdown voltages -- Stress-induced measurement techniques -- Quantitative, simulation and measurement results -- Quantitative results for power conversion chains -- Simulation results for multi-stage voltage multiplier