Switch Capacitr DC-DC Converter

8/2/2019 Switch Capacitr DC-DC Converter

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Switched Capacitor DC-DC Converter: Superior where

the Buck Converter has Dominated

Vincent Wai-Shan NgSeth R. Sanders

Electrical Engineering and Computer SciencesUniversity of California at Berkeley

Technical Report No. UCB/EECS-2011-94

http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2011/EECS-2011-94.html

August 17, 2011


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Copyright 2011, by the author(s).All rights reserved.

Permission to make digital or hard copies of all or part of this work forpersonal or classroom use is granted without fee provided that copies arenot made or distributed for profit or commercial advantage and that copiesbear this notice and the full citation on the first page. To copy otherwise, torepublish, to post on servers or to redistribute to lists, requires prior specificpermission.

Acknowledgement

I would like to thank my adviser, Professor Seth Sanders, for his guidanceand support throughout my years of graduate studies. I would also like to

thank my committee members, Professor Elad Alon, and Professor RobertoHorowitz for their advice on my thesis and research. I must also thank myfellow colleagues, Jason Stauth, Hanh-Phuc Le, Mervin John and MichaelSeeman for their help throughout my studies. Last but not least, I mustthankmy parents, my family and my dear friends. Doing a PhD here and goingthrough all the exams and hurdles are definitely not easy, and I amsincerely thankful to have all of you bymy side. I devote this thesis to all of you, and wish you good luck in all your


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endeavors.


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Switched Capacitor DC-DC Converter:

Superior where the Buck Converter has Dominated

By

Vincent Wai-Shan Ng

A dissertation submitted in partial satisfaction of the

requirements for the degree of

Doctor of Philosophy

in

Engineering Electrical Engineering and Computer Sciences

in the

Graduate Division

of the

University of California, Berkeley

Committee in charge:

Professor Seth Sanders, Chair

Professor Elad Alon

Professor Roberto Horowitz

Fall 2011


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1

Abstract

Switched Capacitor DC-DC Converter: Superior where the Buck Converter has Dominated

By

Vincent Wai-Shan Ng

Doctor of Philosophy in Engineering - Electrical Engineering and Computer Science

University of California, Berkeley

Professor Seth R. Sanders, Chair

The traditional inductor-based buck converter has been the default design for switched-modevoltage regulators for decades. Switched capacitor (SC) dc-dc converters, on the other hand,

have traditionally been used in low power (


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C O N T E N T S i

C o n t e n t s

0 E x e c u t i v e S u m m a r y 1

1 I n t r o d u c t i o n 8

1 . 1 T h e m o d e l u s e d f o r S C c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 . 1 . 1 S S L m o d e l o f S C C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 . 1 . 2 F S L m o d e l o f S C C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

1 . 1 . 3 C o m b i n e d m o d e l o f S C C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

1 . 2 A d v a n t a g e s o f S C c o n v e r t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

1 . 2 . 1 A c t i v e e l e m e n t a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

1 . 2 . 2 P a s s i v e e l e m e n t a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

1 . 2 . 3 S w i t c h i n g l o s s a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

1 . 3 T a r g e t a p p l i c a t i o n s o f t h i s w o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

2 A r c h i t e c t u r e 1 9

2 . 1 T o p o l o g y c h o i c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

2 . 2 M u l t i p l e v o l t a g e d o m a i n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1

2 . 3 D e v i c e s i z i n g a n d o p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

2 . 3 . 1 C a p a c i t o r S i z i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

2 . 3 . 2 S w i t c h s i z i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

2 . 3 . 3 O v e r a l l o p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

2 . 4 M u l t i - c o n v e r s i o n - r a t i o d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

2 . 4 . 1 I n t e g e r s t e p t o p o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

2 . 4 . 2 H a l f s t e p t o p o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

2 . 5 S h u t d o w n a n d S t a r t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

2 . 5 . 1 S h u t d o w n p r o t e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

2 . 5 . 2 S t a r t u p s c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

3 R e g u l a t i o n 3 4

3 . 1 P o s s i b l e c o n t r o l m e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

3 . 1 . 1 C o n t r o l t h r o u g h RSSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 3 . 1 . 2 C o n t r o l t h r o u g h RFSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 . 1 . 3 C o n t r o l t h r o u g h c o n v e r s i o n r a t i o , n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 . 1 . 4 H y b r i d c o n t r o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

3 . 2 P r o p o s e d c o n t r o l a l g o r i t h m - T w o l o o p c o n t r o l . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

3 . 2 . 1 C o n v e r s i o n r a t i o s e l e c t i o n a l g o r i t h m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7


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C O N T E N T S i i

3 . 2 . 2 C o n t r o l t h r o u g h G VDROP s t a t e s p a c e . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 3 . 2 . 3 R e n e d a n a l y s i s o f t h e o u t e r l o o p a l g o r i t h m . . . . . . . . . . . . . . 4 0

3 . 3 C o n t r o l l e r i m p l e m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5

3 . 3 . 1 I n n e r l o o p d y n a m i c s d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

3 . 3 . 2 I n n e r l o o p f r e q u e n c y c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

3 . 3 . 3 O u t e r l o o p c o n t r o l l e r a l g o r i t h m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

3 . 3 . 4 O u t e r l o o p c o n t r o l l e r s t a t e m a c h i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

3 . 3 . 5 C o n t r o l l e r s i m u l a t i o n r e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

3 . 3 . 6 S t a r t u p c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5

4 C i r c u i t s 6 8

4 . 1 L e v e l s h i f t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8

4 . 2 S h u t d o w n p r o t e c t i o n c l a m p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

4 . 3 S t a r t u p h e l p e r c i r c u i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1

4 . 4 H i g h v o l t a g e b l o c k i n g s w i t c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3

4 . 5 P r e c h a r g i n g r e g u l a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

4 . 6 E r r o r a m p l i e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7

4 . 7 A n a l o g t o D i g i t a l C o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8

4 . 8 C o m p a r a t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9

4 . 9 C u r r e n t r e f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1

4 . 1 0 V o l t a g e r e f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1

4 . 1 1 R i n g i n g p r o t e c t i o n s c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2

4 . 1 2 N o n o v e r l a p p i n g c l o c k g e n e r a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5

4 . 1 3 D i g i t a l c i r c u i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6

5 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s 8 7

5 . 1 F i r s t t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7

5 . 2 S e c o n d t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2

5 . 3 T h i r d t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6

5 . 4 F o u r t h a n d n a l t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

5 . 5 C o m p a r i s o n w i t h o t h e r w o r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5

6 C o n c l u s i o n 1 1 7


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L I S T O F F I G U R E S i i i

L i s t o f F i g u r e s

1 C i r c u i t s c h e m a t i c o f i m p l e m e n t e d c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 E c i e n c y v e r s u s IOUT a t a r o u n d VIN = 8 . 7 V . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 E c i e n c y v e r s u s VIN a t IOUT ~ 5 0 m A a n d 2 2 0 m A . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 O s c i l l o s c o p e p l o t o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g IOUT s t e p o f 1 A a t VIN = 9V . T h e

t o p w a v e f o r m i s t h e s w i t c h i n g c l o c k o f t h e c o n v e r t e r . T h e s e c o n d w a v e f o r m i s

a n A C c o u p l e d s i g n a l o f t h e o u t p u t v o l t a g e i n 2 0 m V / d i v . T h e t h i r d w a v e f o r m

s h o w s t h e d r a i n o f a M O S F E T t h a t s w i t c h e s i n t h r e e 4 r e s i s t o r s i n p a r a l l e l t o t h e o u t p u t . T h e f o u r t h w a v e f o r m s h o w s t h e l e a s t s i g n i c a n t b i t o f t h e

c o n v e r s i o n r a t i o , i n d i c a t i n g t h a t t h e c o n v e r t e r c h a n g e s c o n v e r s i o n r a t i o b a c k

a n d f o r t h b y o n e s t e p d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t . T h e t i m e s c a l e i s 20s/div . . 65 C o m p a r i s o n o f p e a k e c i e n c y b e t w e e n t h i s w o r k a n d s i m i l a r w o r k s . . . . . . 7

1 . 1 B a s i c m o d e l f o r a n S C c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 . 2 ( a ) S c h e m a t i c a n d ( b ) c h a r g e o w o f t h e 3 V - t o - 1 V D i c k s o n C o n v e r t e r i n t h e

t w o c l o c k p h a s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

1 . 3 1 0 V - t o - 1 V S C c o n v e r t e r a n d b u c k c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

2 . 1 1 2 V - t o - 1 . 5 V D i c k s o n S C c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

2 . 2 V a r i o u s v o l t a g e d o m a i n s o f t h e 1 2 V - t o - 1 . 5 V D i c k s o n c o n v e r t e r . T h e a r r o w s

i n d i c a t e w h i c h v o l t a g e d o m a i n s t h e s w i t c h e s r e s i d e i n . . . . . . . . . . . . . . 2 2

2 . 3 C h a n g e s i n p o w e r - t r a i n c a p a c i t o r v o l t a g e l e v e l s f o r a s t e p c h a n g e i n i n p u t

v o l t a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

2 . 4 E c i e n c y c o n t o u r s o f a n e x a m p l e S C c o n v e r t e r f o r 2 d i e r e n t o u t p u t c u r r e n t

l e v e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

2 . 5 E c i e n c y v e r s u s o u t p u t c u r r e n t f o r t h e e x a m p l e c o n v e r t e r i n g u r e 2 . 4 u s i n g

a t o t a l s w i t c h a r e a o f 2mm2 a n d w h e n s w i t c h i n g f r e q u e n c y i s o p t i m i z e d . . . . 2 7 2 . 6 D i c k s o n c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e c o n v e r s i o n r a t i o i n i n t e g e r s t e p . P o s s i b l e

c o n v e r s i o n r a t i o s a r e 5 : 1 , 6 : 1 , 7 : 1 a n d 8 : 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

2 . 7 D i c k s o n c o n v e r t e r w i t h m u l t i p l e c o n v e r s i o n r a t i o i n h a l f - i n t e g e r s t e p s . . . . . 3 0

2 . 8 S h u t d o w n p r o t e c t i o n c l a m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

2 . 9 S t a r t u p s c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

3 . 1 C o n c e p t u a l d i a g r a m o f t h e t w o l o o p c o n t r o l m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . 3 7

3 . 2 A G VDROP p l o t s h o w i n g t h e e c i e n c y b o u n d a r i e s f o r t h e v a r i o u s ncur . . 3 8


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L I S T O F F I G U R E S i v

3 . 3 T h e l o c u s o f o p e r a t i n g p o i n t o n t h e G VDROP s t a t e s p a c e a s IOUT i n c r e a s e s w i t h VIN x e d a t 1 0 . 8 V . C h a n g i n g o f c o n v e r s i o n r a t i o o c c u r s a t t h e e x a c t c u r v e r a t h e r t h a n a t t h e o n e c o r r e s p o n d i n g t o n = 5 , a s i n t h e s i m p l i e d a l g o r i t h m . 4 1

3 . 4 T h e l o c u s o f o p e r a t i n g p o i n t o n t h e G VDROP s t a t e s p a c e a s VIN i n c r e a s e s w i t h IOUT x e d a t 0 . 1 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2

3 . 5 E c i e n c y v e r s u s VDROP f o r G > GBOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 3 . 6 R e n e d c o n t r o l l a w a f t e r t a k i n g i n t o a c c o u n t o t h e r l o s s f a c t o r s . . . . . . . . . 4 4

3 . 7 O v e r a l l b l o c k d i a g r a m o f t h e c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

3 . 8 D y n a m i c m o d e l o f t h e i n n e r l o o p o f t h e c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

3 . 9 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n VGD a n d G, a n d t h e a s s i g n m e n t o f s w i t c h i n g f r e q u e n c y . T h e l a b e l i n g o n t h e x - a x i s i s n o t d r a w n t o s c a l e . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

3 . 1 0 D e c i s i o n o w d i a g r a m o f t h e f r e q u e n c y c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

3 . 1 1 S t a t e m a c h i n e o f t h e f r e q u e n c y c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

3 . 1 2 T i m i n g d i a g r a m s h o w i n g h o w s w i t c h i n g f r e q u e n c y v a r i e s a s o u t p u t l o a d c u r -

r e n t i n c r e a s e s g r a d u a l l y . T h e t w o p h a s e s w i t c h i n g c l o c k i s a l s o s h o w n i n t h e

g u r e . T h e r e i s a d e a d t i m e o f 1 c l o c k p e r i o d b e t w e e n t h e t w o p h a s e c l o c k ,

b u t i t i s n o t s h o w n h e r e f o r s i m p l i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2

3 . 1 3 G VDROP m a p s h o w i n g t h e c o n t r o l a l g o r i t h m o f t h e o u t e r l o o p c o n t r o l l e r . 5 5 3 . 1 4 D e c i s i o n o w d i a g r a m o f t h e o u t e r l o o p c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

3 . 1 5 S t a t e m a c h i n e o f t h e o u t e r l o o p c o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7

3 . 1 6 S i m u l a t i o n d i s p l a y s o u t p u t v o l t a g e o f t h e c o n t r o l l e r f o r a m o d e r a t e c h a n g e i n

o u t p u t c u r r e n t l e v e l . T h e l e f t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e w i t h a r a m p

c h a n g e i n o u t p u t c u r r e n t w h e r e a s t h e r i g h t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e

w i t h a s t e p c h a n g e i n o u t p u t c u r r e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

3 . 1 7 S i m u l a t i o n d i s p l a y s o u t p u t v o l t a g e o f t h e c o n v e r t e r f o r a l a r g e c h a n g e i n o u t -

p u t c u r r e n t l e v e l . T h e l e f t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e w i t h a r a m p

c h a n g e i n o u t p u t c u r r e n t w h e r e a s t h e r i g h t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e

w i t h a s t e p c h a n g e i n o u t p u t c u r r e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

3 . 1 8 S i m u l a t i o n s h o w i n g t h e c o n v e r t e r c o n n e c t i n g b a c k t o t h e i n p u t a f t e r a n u n -

l o a d i n g s t e p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2

3 . 1 9 S i m u l a t i o n d i s p l a y s o u t p u t v o l t a g e o f t h e c o n v e r t e r f o r c h a n g e s i n i n p u t v o l t -

a g e l e v e l s . T h e l e f t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e w i t h a r a m p c h a n g e i n

i n p u t v o l t a g e w h e r e a s t h e r i g h t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e w i t h a s t e p

c h a n g e i n i n p u t v o l t a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3

3 . 2 0 S i m u l a t i o n r e s u l t i n w h i c h f e e d f o r w a r d a c t i o n o f c o n t r o l l e r d o e s n o t a c q u i r e

t h e c o r r e c t c o n v e r s i o n r a t i o . T h e l e f t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e r e s p o n s e w i t h

a r a m p c h a n g e i n i n p u t v o l t a g e w h e r e a s t h e r i g h t h a n d s i d e p l o t s h o w s t h e

r e s p o n s e w i t h a s t e p c h a n g e i n i n p u t v o l t a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4

3 . 2 1 S i m u l a t i o n o f t h e s t a r t u p s e q u e n c e s h o w i n g t h e o u t p u t v o l t a g e a n d t h e v o l t a g e

l e v e l s o f t h e v a r i o u s y i n g c a p a c i t o r s o f t h e c i r c u i t s h o w n i n g u r e 2 . 2 . . . . 6 6

4 . 1 L e v e l s h i f t e r t o c o n v e y s i g n a l s a m o n g v o l t a g e d o m a i n s . T h e c i r c u i t i s d i v i d e d

i n t o t h r e e v o l t a g e d o m a i n s . C a p a c i t o r s C1C9 a r e a d d e d t o g i v e i n i t i a l s t a t e s d u r i n g s t a r t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9


11/141

L I S T O F F I G U R E S v

4 . 2 F i g u r e s h o w i n g t h e l a t c h i n s t a l l e d t o i n t e r p r e t t h e o u t p u t o f t h e l e v e l S h i f t e r

c i r c u i t . W h e n b o t h VOUT a n d VOUT! a r e l o w , t h i s l a t c h g i v e s t h e i n v e r s e o f t h e p r e v i o u s s t a t e . T h i s s p e e d s u p t h e r e s p o n s e t i m e o f t h e l e v e l S h i f t e r d u r i n g

t h e t r a n s i t i o n p e r i o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9

4 . 3 D e t a i l o f t h e s h u t d o w n p r o t e c t i o n c l a m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

4 . 4 S t a r t u p h e l p e r c i r c u i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

4 . 5 S c h e m a t i c o f t h e h i g h v o l t a g e b l o c k i n g s w i t c h u s e d i n s t a r t u p a n d i t s d r i v e r s 7 3

4 . 6 S c h e m a t i c o f t h e L i n e a r R e g u l a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5

4 . 7 S c h e m a t i c o f t h e e r r o r a m p l i e r m a k i n g u p t h e s w i t c h c o n d u c t a n c e m o d u l a t i o n

b l o c k i n g u r e 3 . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

4 . 8 S i m p l i e d d i a g r a m o f t h e e r r o r a m p l i e r i n g u r e 4 . 7 . . . . . . . . . . . . . . 7 6

4 . 9 S c h e m a t i c o f t h e a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8

4 . 1 0 S c h e m a t i c o f t h e c o m p a r a t o r u s e d i n g u r e 4 . 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0

4 . 1 1 S c h e m a t i c o f t h e c u r r e n t r e f e r e n c e i n s t a l l e d i n a l l v o l t a g e d o m a i n s . . . . . . 8 1

4 . 1 2 S c h e m a t i c o f t h e b a n d g a p v o l t a g e r e f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2

4 . 1 3 S c h e m a t i c o f t h e h e l p e r c i r c u i t s t o r e d u c e e e c t s o f r i n g i n g . . . . . . . . . . 8 3

4 . 1 4 I n t e r f a c e c i r c u i t b e t w e e n b u e r e d v o l t a g e d o m a i n a n d u n l t e r e d v o l t a g e d o m a i n 8 4

4 . 1 5 S c h e m a t i c s h o w i n g t h e m a i n c i r c u i t s i n e a c h u n l t e r e d a n d b u e r e d v o l t a g e

d o m a i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5

4 . 1 6 S c h e m a t i c o f t h e t w o p h a s e n o n - o v e r l a p p i n g c l o c k g e n e r a t o r . . . . . . . . . 8 5

4 . 1 7 S c h e m a t i c o f t h e 5 0 M H z c l o c k g e n e r a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6

5 . 1 S c h e m a t i c o f t h e o v e r a l l c i r c u i t i n t h e r s t v e r s i o n o f i m p l e m e n t a t i o n . . . . 8 8

5 . 2 D i e p h o t o o f t h e r s t t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0

5 . 3 E c i e n c y t e s t r e s u l t a n d b e s t t e c i e n c y c u r v e s f o r t h e r s t t e s t c h i p . . . 9 1

5 . 4 O s c i l l o s c o p e s h o t o f t h e r s t t e s t c h i p a t 1 A l o a d a n d 1 M H z s w i t c h i n g f r e -

q u e n c y . T h e t o p c u r v e s h o w s t h e o u t p u t v o l t a g e w i t h 2 0 0 m V / d i v , w h e r e a s

t h e b o t t o m c u r v e s s h o w t h e t w o p h a s e c l o c k s i g n a l s w i t h 1 V / d i v . T h e t i m e

s c a l e o f t h e p l o t i s 2 0 0 n s / d i v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1

5 . 5 D i e p h o t o o f t h e s e c o n d t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3

5 . 6 E c i e n c y t e s t r e s u l t a n d b e s t t e c i e n c y c u r v e s f o r t h e s e c o n d t e s t c h i p . . 9 4

5 . 7 O s c i l l o s c o p e s h o t o f t h e s e c o n d t e s t c h i p a t 2 3 0 m A l o a d a n d 1 M H z s w i t c h i n g

f r e q u e n c y . T h e t o p c u r v e i s t h e o u t p u t v o l t a g e w i t h 5 0 m V / d i v , w h e r e a s t h e

b o t t o m t w o c u r v e s a r e t h e t w o p h a s e c l o c k s i g n a l . T h e t i m e s c a l e i s 2 0 0 n s / d i v . 9 4

5 . 8 O s c i l l o s c o p e s h o t o f t h e s t a r t u p w a v e f o r m o f t h e s e c o n d t e s t c h i p . T h e f o u r

c u r v e s s h o w s t h e v o l t a g e s o n f o u r p o w e r - t r a i n c a p a c i t o r s w i t h 2 V / d i v . T h e

t i m e s c a l e i s 2 0 m s / d i v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5

5 . 9 C i r c u i t s c h e m a t i c f o r t h e t h i r d t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7

5 . 1 0 D i e p h o t o o f t h e t h i r d t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9

5 . 1 1 E x p e c t e d e c i e n c y o f t h e t h i r d t e s t c h i p a t a x e d c o n v e r s i o n r a t i o o f 8 - t o - 1 1 0 0

5 . 1 2 E c i e n c y v e r s u s IOUT a t VIN = 1 2 . 5 V o f t h e t h i r d t e s t c h i p i f r e g u l a t i o n w a s i m p l e m e n t e d a n d r e g u l a t i n g VOUT a t 1 . 5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1

5 . 1 3 E c i e n c y v e r s u s VIN a t IOUT = 1 0 0 m A o f t h e t h i r d t e s t c h i p i f r e g u l a t i o n w a s i m p l e m e n t e d a n d r e g u l a t i n g VOUT a t 1 . 5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2


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L I S T O F F I G U R E S v i

5 . 1 4 C o n t o u r p l o t s h o w i n g e c i e n c y v e r s u s VIN a n d IOUT f o r t h e t h i r d t e s t c h i p i f r e g u l a t i o n w a s i m p l e m e n t e d a n d r e g u l a t i n g VOUT a t 1 . 5 V . . . . . . . . . . . 1 0 3

5 . 1 5 C i r c u i t s c h e m a t i c o f t h e n a l t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6

5 . 1 6 D i e p h o t o o f t h e n a l t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7

5 . 1 7 E c i e n c y v e r s u s IOUT a t a r o u n d VIN = 8 . 7 V o f t h e n a l t e s t c h i p . . . . . . 1 0 8 5 . 1 8 E c i e n c y v e r s u s VIN a t IOUT ~ 5 0 m A a n d 2 2 0 m A o f t h e n a l t e s t c h i p . . . 1 0 9 5 . 1 9 C o n t o u r p l o t s h o w i n g e c i e n c y v e r s u s VIN a n d IOUT f o r t h e n a l t e s t c h i p . . 1 1 0 5 . 2 0 O s c i l l o s c o p e s h o t o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g IOUT s t e p o f 1 5 0 m A f o r t h e n a l

t e s t c h i p . T h e t o p w a v e f o r m i s t h e s w i t c h i n g c l o c k o f t h e c o n v e r t e r . T h e

s e c o n d w a v e f o r m i s a n A C c o u p l e d s i g n a l o f t h e o u t p u t v o l t a g e w i t h 2 0 m V / d i v .

T h e t h i r d w a v e f o r m s h o w s t h e g a t e d r i v e s i g n a l o f s w i t c h e s S1,4,5 i n g u r e 5 . 1 5 . T h e f o u r t h w a v e f o r m s h o w s t h e d r a i n o f a M O S F E T t h a t s w i t c h e s i n a

10 r e s i s t o r s i n p a r a l l e l t o t h e o u t p u t . T h i s w a v e f o r m r e p r e s e n t s t h e l o a d i n g c u r r e n t s t e p . T h e t i m e s c a l e i s 200s/div . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1

5 . 2 1 O s c i l l o s c o p e p l o t o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g IOUT s t e p o f 1 A f o r t h e n a l t e s t c h i p a t

VIN = 9V. T h e t o p w a v e f o r m i s t h e s w i t c h i n g c l o c k o f t h e c o n v e r t e r .

T h e s e c o n d w a v e f o r m i s a n A C c o u p l e d s i g n a l o f t h e o u t p u t v o l t a g e w i t h

2 0 m V / d i v . T h e t h i r d w a v e f o r m s h o w s t h e d r a i n o f a M O S F E T t h a t s w i t c h e s

i n t h r e e 4 r e s i s t o r s i n p a r a l l e l t o t h e o u t p u t . T h i s w a v e f o r m r e p r e s e n t s t h e l o a d i n g c u r r e n t s t e p . T h e f o u r t h w a v e f o r m s h o w s t h e l e a s t s i g n i c a n t b i t o f t h e

c o n v e r s i o n r a t i o , i n d i c a t i n g t h a t t h e c o n v e r t e r c h a n g e s c o n v e r s i o n r a t i o b a c k

a n d f o r t h b y o n e s t e p d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t . T h e t i m e s c a l e i s 20s/div . 1 1 2 5 . 2 2 O s c i l l o s c o p e p l o t o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g IOUT s t e p o f 1 A f o r t h e n a l t e s t

c h i p a t VIN = 9.2V . T h e t o p w a v e f o r m i s t h e s w i t c h i n g c l o c k o f t h e c o n - v e r t e r . T h e s e c o n d w a v e f o r m i s a n A C c o u p l e d s i g n a l o f t h e o u t p u t v o l t a g e a t

2 0 m V / d i v . T h e t h i r d w a v e f o r m s h o w s t h e d r a i n o f a M O S F E T t h a t s w i t c h e s

i n t h r e e 4 r e s i s t o r s i n p a r a l l e l t o t h e o u t p u t . T h i s w a v e f o r m r e p r e s e n t s t h e l o a d i n g c u r r e n t s t e p . T h e f o u r t h w a v e f o r m s h o w s t h e l e a s t s i g n i c a n t b i t o f

t h e c o n v e r s i o n r a t i o , i n d i c a t i n g t h a t t h e c o n v e r t e r c h a n g e s c o n v e r s i o n r a t i o b y

t w o s t e p s a f t e r t h e l o a d i n g s t e p , a n d t h e n b a c k b y o n e s t e p a f t e r t h e u n l o a d i n g

s t e p . T h e t i m e s c a l e i s 20s/div . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 5 . 2 3 T h e t e s t b o a r d u s e d t o t e s t t h e n a l t e s t c h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4

5 . 2 4 C o m p a r i s o n o f p e a k e c i e n c y b e t w e e n t h i s w o r k a n d s i m i l a r w o r k s . . . . . . 1 1 6


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v i i

A c k n o w l e d g m e n t

I w o u l d l i k e t o t h a n k m y a d v i s e r , P r o f e s s o r S e t h S a n d e r s , f o r h i s g u i d a n c e a n d s u p p o r t

t h r o u g h o u t m y y e a r s o f g r a d u a t e s t u d i e s . I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k m y c o m m i t t e e m e m b e r s ,

P r o f e s s o r E l a d A l o n , a n d P r o f e s s o r R o b e r t o H o r o w i t z f o r t h e i r a d v i c e o n m y t h e s i s a n d

r e s e a r c h . I m u s t a l s o t h a n k m y f e l l o w c o l l e a g u e s , J a s o n S t a u t h , H a n h - P h u c L e , M e r v i n J o h n

a n d M i c h a e l S e e m a n f o r t h e i r h e l p t h r o u g h o u t m y s t u d i e s . L a s t b u t n o t l e a s t , I m u s t t h a n k

m y p a r e n t s , m y f a m i l y a n d m y d e a r f r i e n d s . D o i n g a P h D h e r e a n d g o i n g t h r o u g h a l l t h e

e x a m s a n d h u r d l e s a r e d e n i t e l y n o t e a s y , a n d I a m s i n c e r e l y t h a n k f u l t o h a v e a l l o f y o u b y

m y s i d e . I d e v o t e t h i s t h e s i s t o a l l o f y o u , a n d w i s h y o u g o o d l u c k i n a l l y o u r e n d e a v o r s .


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C H A P T E R 0 . E X E C U T I V E S U M M A R Y 1

C h a p t e r 0

E x e c u t i v e S u m m a r y

T h e t r a d i t i o n a l i n d u c t o r - b a s e d b u c k c o n v e r t e r h a s b e e n t h e d e f a u l t d e s i g n f o r m o s t s w i t c h e d -

m o d e v o l t a g e r e g u l a t o r s f o r d e c a d e s . I n i t s s i m p l e s t f o r m , t h e b u c k c o n v e r t e r c o n t a i n s o n l y

t w o s w i t c h e s , o n e i n d u c t o r , a n d t h e i n p u t c a p a c i t o r [ 1 ] . D u e t o i t s r e l a t i v e l y s i m p l e s t r u c -

t u r e a n d c o n t r o l m e t h o d o l o g y , i t i s t h e d o m i n a n t d e s i g n f o r a p p l i c a t i o n s t h a t r e q u i r e t i g h t

r e g u l a t i o n ( < 1 0 m V ) , h i g h e c i e n c y ( > 9 0 % ) a n d h i g h o u t p u t p o w e r ( > 1 0 0 m W ) . S w i t c h e d

c a p a c i t o r ( S C ) d c - d c c o n v e r t e r s , o n t h e o t h e r h a n d , h a v e t r a d i t i o n a l l y b e e n u s e d i n l o w

p o w e r ( < 1 0 m W ) a n d l o w c o n v e r s i o n r a t i o ( < 4 : 1 ) a p p l i c a t i o n s w h e r e n e i t h e r r e g u l a t i o n n o r

e c i e n c y i s c r i t i c a l . T h i s w o r k e n c o m p a s s e s t h e c o m p l e t e s u c c e s s f u l d e s i g n , f a b r i c a t i o n , a n d

t e s t o f a C M O S b a s e d s w i t c h e d c a p a c i t o r d c - d c c o n v e r t e r , a d d r e s s i n g t h e u b i q u i t o u s 1 2 V t o

1 . 5 V b o a r d - m o u n t e d p o i n t - o f - l o a d a p p l i c a t i o n . I n p a r t i c u l a r , t h e c i r c u i t d e v e l o p e d i n t h i s

w o r k a t t a i n s h i g h e r e c i e n c y ( 9 2 % p e a k , a n d > 8 0 % o v e r a l o a d r a n g e o f 5 m A t o 1 A ) t h a n

s u r v e y e d c o m p e t i t i v e b u c k c o n v e r t e r s , w h i l e r e q u i r i n g l e s s b o a r d a r e a a n d l e s s c o s t l y p a s -

s i v e c o m p o n e n t s . T h e t o p o l o g y a n d c o n t r o l l e r e n a b l e a w i d e i n p u t r a n g e o f 7 . 5 V t o 1 3 . 5 V .

C o n t r o l s b a s e d o n f e e d b a c k a n d f e e d f o r w a r d p r o v i d e t i g h t r e g u l a t i o n u n d e r w o r s t c a s e l i n e

a n d l o a d s t e p c o n d i t i o n s . T h i s w o r k s h o w s t h a t t h e S C c o n v e r t e r c a n o u t p e r f o r m t h e b u c k

c o n v e r t e r , a n d t h u s t h e s c o p e o f S C c o n v e r t e r a p p l i c a t i o n c a n a n d s h o u l d b e e x p a n d e d .

A s d i s c u s s e d i n r e f e r e n c e s [ 3 , 4 ] a n d l a t e r i n I n t r o d u c t i o n s e c t i o n 1 . 2 , a n u m b e r o f S C

c o n v e r t e r t o p o l o g i e s a r e v e r y e e c t i v e i n t h e i r u t i l i z a t i o n o f s w i t c h e s a n d p a s s i v e e l e m e n t s ,

e s p e c i a l l y i n r e l a t i o n t o t h e e v e r p o p u l a r b u c k c o n v e r t e r . I n t e r m s o f s w i t c h e s , t h e p o w e r

s w i t c h e s i n t h e b u c k c o n v e r t e r e a c h b l o c k t h e f u l l i n p u t v o l t a g e a n d s u p p o r t t h e f u l l o u t p u t

c u r r e n t . F o r a l a r g e o r e v e n m o d e r a t e c o n v e r s i o n r a t i o , t h i s l e a d s t o a h i g h s w i t c h t o t a l V o l t -

A m p e r e p r o d u c t , a n d c a u s e s t h e b u c k c o n v e r t e r t o s u e r f r o m p o o r p o w e r d e v i c e u t i l i z a t i o n .

I n c o n t r a s t , t h e s w i t c h e s i n a l a d d e r o r D i c k s o n S C c o n v e r t e r o n l y b l o c k a f r a c t i o n o f t h e

i n p u t v o l t a g e , w h i l e s u p p o r t i n g a f r a c t i o n o f t h e o u t p u t c u r r e n t . T h i s n o t o n l y e n a b l e s

u t i l i z a t i o n o f n a t i v e l o w - v o l t a g e C M O S t r a n s i s t o r s i n a m o d e r n l o w - c o s t C M O S p r o c e s s ,

b u t a l s o l e a d s t o a l o w t o t a l s w i t c h V o l t - A m p e r e p r o d u c t , a l l o w i n g t h e s e S C c o n v e r t e r s

t o s u s t a i n h i g h e c i e n c y w i t h a h i g h c o n v e r s i o n r a t i o . I n t e r m s o f p a s s i v e e l e m e n t s , S C

c o n v e r t e r s b e n e t f r o m t h e s i g n i c a n t l y h i g h e r e n e r g y d e n s i t y o f c a p a c i t o r s o v e r i n d u c t o r s .

A s s h o w n i n T a b l e 1 [ 5 ] , s u r v e y e d s u r f a c e m o u n t s c a l e c a p a c i t o r s h a v e a v o l u m e t r i c e n e r g y

d e n s i t y t h a t i s o v e r 1 0 0 0 t i m e s h i g h e r t h a n t h a t o f s u r v e y e d i n d u c t o r s . T h i s c a n l e a d t o a

c o n s i d e r a b l e r e d u c t i o n i n P r i n t e d C i r c u i t B o a r d ( P C B ) a r e a a n d i n c o s t b y r e p l a c i n g o n e

b u l k y i n d u c t o r w i t h s e v e r a l s m a l l e r c a p a c i t o r s . T h i s w o r k b u i l d s a m o d e r a t e c o n v e r s i o n r a t i o


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T a b l e 1 : E n e r g y d e n s i t y o f c o m m o n c a p a c i t o r s a n d i n d u c t o r s

T y p e M a n u f a c t u r e r C a p a c i t a n c e D i m e n s i o n s [ mm3 ] E n e r g y d e n s i t y C e r a m i c C a p T a i y o - Y u d e n 22F@4V 1.6 0.8 0.8 344J/mm3

C e r a m i c C a p T a i y o - Y u d e n 1F@35V 1.6 0.8 0.8 1196J/mm3

T a n t a l u m C a p V i s h a y

10F@4V 1.0 0.5 0.6 533J/mm3

T a n t a l u m C a p V i s h a y [email protected] 2.4 1.45 1.1 1037J/mm3

E l e c t r o l y t i c C a p K e m e t 22F@16V 7.3 4.3 1.9 94J/mm3

E l e c t r o l y t i c C a p C . D . E 210mF@50V 76 219 172J/mm3

S h i e l d e d S M T I n d C o i l c r a f t [email protected] 2.6 2.1 1.8 0.045J/mm3


S h i e l d e d I n d u c t o r C o i l c r a f t [email protected] 11 11 9.5 0.148J/mm3

S h i e l d e d I n d u c t o r M u r a t a [email protected] 29.8 21.8 0.189J/mm3

( 1 2 V - t o - 1 . 5 V ) S C c o n v e r t e r i n a 0 . 1 8 m m / 0 . 6 m m p r o c e s s t o r e a l i z e t h e s e a d v a n t a g e s o f t h e

S C c o n v e r t e r .

F i g u r e 1 s h o w s t h e s c h e m a t i c o f t h e D i c k s o n S C c o n v e r t e r i m p l e m e n t e d i n t h i s w o r k .

T h e i n p u t v o l t a g e m a y r a n g e f r o m 7 . 5 V t o 1 3 . 5 V , w h i l e t h e c o n v e r t e r o u t p u t s a n o m i n a l

v o l t a g e o f 1 . 5 V , d e n e d b y a n o n - c h i p b a n d g a p r e f e r e n c e . C a p a c i t o r s C1C9 a r e t h e p o w e r - t r a i n c a p a c i t o r s , a n d t h e y a r e i m p l e m e n t e d w i t h o - c h i p c e r a m i c c a p a c i t o r s . T h e D i c k s o n

c o n v e r t e r o p e r a t e s i n t w o p h a s e s , a n d a c h i e v e s v o l t a g e c o n v e r s i o n t h r o u g h c h a r g e t r a n s f e r s

a m o n g c a p a c i t o r s C1 C9 [ 6 ] . S w i t c h e s S1 S12 a r e t h e p o w e r s w i t c h e s , a n d t h e p h a s e i n w h i c h t h e y a r e t u r n e d o n i s i n d i c a t e d b y t h e n u m b e r i n b r a c k e t n e x t t o t h e s w i t c h l a b e l

i n t h e g u r e ; t h e s w i t c h i s t u r n e d o i n t h e o t h e r p h a s e . A s f u r t h e r d i s c u s s e d i n s e c t i o n

2 . 4 , s w i t c h e s S13 S18 a r e a l s o p o w e r s w i t c h e s , b u t t h e y m a y t u r n o n i n e i t h e r c l o c k p h a s e d e p e n d i n g o n t h e c o n v e r s i o n r a t i o o f t h e c o n v e r t e r . T h e s e s w i t c h e s a l l o w t h e c o n v e r t e r t o

a t t a i n s e v e n d i e r e n t c o n v e r s i o n r a t i o s , r a n g i n g f r o m 5 - t o - 1 t o 8 - t o - 1 w i t h h a l f i n t e g e r s t e p s .

A s f u r t h e r d i s c u s s e d i n s e c t i o n 2 . 2 , t h e i n t e g r a t e d c i r c u i t i m p l e m e n t a t i o n , i n a 0 . 1 8 m i c r o n

t r i p l e - w e l l C M O S p r o c e s s , i s s u b - d i v i d e d i n t o v a r i o u s v o l t a g e d o m a i n s t o a l l o w t h e u s a g e o f

l o w v o l t a g e t r a n s i s t o r s ( b l o c k i n g a m a x i m u m o f 4 V ) t o a c c o m m o d a t e a m o d e r a t e v o l t a g e

i n p u t , a s h i g h a s 1 3 . 5 V [ 3 4 ] . A s f u r t h e r e x p l a i n e d i n c h a p t e r 3 , t h i s c o n v e r t e r a c h i e v e s

r e g u l a t i o n b y r s t a d j u s t i n g i t s n o m i n a l c o n v e r s i o n r a t i o , a n d t h e n b y m o d u l a t i n g t h e s w i t c h

c o n d u c t a n c e o f s w i t c h e s S1,4,5 . S w i t c h c o n d u c t a n c e m o d u l a t i o n a l l o w s t i g h t r e g u l a t i o n f o r l i n e a n d l o a d v a r i a t i o n w h e r e a s c h a n g i n g c o n v e r s i o n r a t i o a l l o w s t h e c o n v e r t e r t o a t t a i n a

h i g h e c i e n c y t h r o u g h o u t t h e o p e r a t i n g s p a c e . F u r t h e r , t h e c o n v e r t e r m o d u l a t e s s w i t c h i n g

f r e q u e n c y t o a t t a i n h i g h e c i e n c y a t l i g h t l o a d c o n d i t i o n s . A u x i l i a r y f u n c t i o n s s u c h a s s e l f -

s t a r t u p , o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n a n d s a f e s h u t d o w n a r e a l s o i m p l e m e n t e d . F u r t h e r d e t a i l s o f

t h e c o n t r o l l e r a r e d i s c u s s e d i n c h a p t e r 3 .

F i g u r e 2 s h o w s t h e e x p e c t e d e c i e n c y a n d m e a s u r e d e c i e n c y o f t h e c o n v e r t e r v e r s u s

l o a d c u r r e n t ( IOUT ) a t a r o u n d VIN = 8.7V . A s s h o w n i n t h e g u r e , t h i s c o n v e r t e r a t t a i n s a p e a k e c i e n c y o f 9 3 % a n d m a i n t a i n s e c i e n c y h i g h e r t h a n 8 0 % o v e r a n o u t p u t c u r r e n t

r a n g e f r o m 5 m A t o 1 A . F i g u r e 3 s h o w s t h e e x p e c t e d e c i e n c y a n d m e a s u r e d e c i e n c y o f t h e

c o n v e r t e r v e r s u s i n p u t v o l t a g e w i t h l o a d c u r r e n t a t t w o d i e r e n t v a l u e s , n a m e l y 5 0 m A a n d

2 2 0 m A . A s s h o w n i n t h e g u r e , t h i s c o n v e r t e r m a i n t a i n s e c i e n c y h i g h e r t h a n 8 5 % f r o m 7 . 5 V


16/141


F i g u r e 1 : C i r c u i t s c h e m a t i c o f i m p l e m e n t e d c o n v e r t e r


17/141


F i g u r e 2 : E c i e n c y v e r s u s IOUT a t a r o u n d VIN = 8 . 7 V


18/141


F i g u r e 3 : E c i e n c y v e r s u s VIN a t IOUT ~ 5 0 m A a n d 2 2 0 m A


19/141


F i g u r e 4 : O s c i l l o s c o p e p l o t o f l o a d i n g a n d u n l o a d i n g IOUT s t e p o f 1 A a t VIN = 9V . T h e t o p w a v e f o r m i s t h e s w i t c h i n g c l o c k o f t h e c o n v e r t e r . T h e s e c o n d w a v e f o r m i s a n A C c o u p l e d

s i g n a l o f t h e o u t p u t v o l t a g e i n 2 0 m V / d i v . T h e t h i r d w a v e f o r m s h o w s t h e d r a i n o f a M O S F E T

t h a t s w i t c h e s i n t h r e e 4 r e s i s t o r s i n p a r a l l e l t o t h e o u t p u t . T h e f o u r t h w a v e f o r m s h o w s t h e l e a s t s i g n i c a n t b i t o f t h e c o n v e r s i o n r a t i o , i n d i c a t i n g t h a t t h e c o n v e r t e r c h a n g e s c o n v e r s i o n

r a t i o b a c k a n d f o r t h b y o n e s t e p d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t . T h e t i m e s c a l e i s 20s/div .


20/141


F i g u r e 5 : C o m p a r i s o n o f p e a k e c i e n c y b e t w e e n t h i s w o r k a n d s i m i l a r w o r k s .

t o 1 3 V w i t h a n o m i n a l o u t p u t v o l t a g e o f 1 . 5 V . F i g u r e 4 s h o w s t h e l o a d t r a n s i e n t r e s p o n s e o f

t h e c o n v e r t e r d u r i n g l o a d i n g a n d u n l o a d i n g s t e p s o f 1 A . T h e o u t p u t v o l t a g e i s r e g u l a t e d t o

w i t h i n 3 0 m V d u r i n g t h e t r a n s i e n t . T h e b e h a v i o r o f t h e c o n v e r t e r a n d t h e c o n t r o l l e r d u r i n g

t h i s t r a n s i e n t a r e d i s c u s s e d i n c h a p t e r 3 a n d i n c h a p t e r 5 , s e c t i o n 5 . 4 . F i g u r e 5 s h o w s a

c o m p a r i s o n o f t h e p e a k e c i e n c y o f t h i s c o n v e r t e r w i t h t h a t o f s i m i l a r l y r a t e d c o n v e r t e r s .

A l l t h e s u r v e y e d b u c k a n d S C c o n v e r t e r s a c h i e v e r e s p e c t a b l e e c i e n c y , b u t s h o w a g e n e r a l

t r e n d o f r e d u c e d e c i e n c y a s c o n v e r s i o n r a t i o i n c r e a s e s . T h e p r e s e n t w o r k s h o w s a s i g n i c a n t

i n c r e a s e i n e c i e n c y w h e n c o m p a r e d t o s i m i l a r l y r a t e d S C a n d b u c k c o n v e r t e r s . A s f u r t h e r

d i s c u s s e d i n s e c t i o n 5 . 5 , t h i s w o r k a l s o a c h i e v e s a n o v e r a l l r e d u c t i o n i n P C B a r e a a n d p a s s i v e

c o m p o n e n t c o s t w h e n c o m p a r e d t o d c - d c c o n v e r t e r s w i t h s i m i l a r r a t i n g s . T h i s w o r k s h o w s

t h a t t h e S C c o n v e r t e r , i m p l e m e n t e d i n s t a n d a r d C M O S t e c h n o l o g y , p r o v i d e s a n e w d i r e c t i o n

f o r p e r f o r m a n c e a n d c o s t a d v a n t a g e s w i t h r e s p e c t t o t h e c o n v e n t i o n a l b u c k c o n v e r t e r . T h i s

w o r k s h o w s t h a t t h e S C c o n v e r t e r c a n o u t p e r f o r m t h e b u c k c o n v e r t e r i n a r e a s w h e r e t h e

l a t t e r c u r r e n t l y d o m i n a t e s , a n d i t s s c o p e c a n b e g r e a t l y e x p a n d e d .


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C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N 8

C h a p t e r 1

I n t r o d u c t i o n

T h e t r a d i t i o n a l i n d u c t o r - b a s e d b u c k c o n v e r t e r h a s b e e n t h e d e f a u l t d e s i g n f o r m o s t s w i t c h e d -

m o d e v o l t a g e r e g u l a t o r s f o r d e c a d e s . I n i t s s i m p l e s t f o r m , t h e b u c k c o n v e r t e r c o n t a i n s o n l y

t w o s w i t c h e s , o n e i n d u c t o r , a n d t h e i n p u t c a p a c i t o r [ 1 ] . I d e a l l y , i t c a n a t t a i n a n y v o l t a g e s t e p -

d o w n c o n v e r s i o n r a t i o w i t h 1 0 0 % e c i e n c y b y v a r y i n g d u t y r a t i o . D u e t o i t s r e l a t i v e l y s i m p l e

s t r u c t u r e a n d c o n t r o l m e t h o d o l o g y , i t i s t h e d o m i n a n t d e s i g n f o r a p p l i c a t i o n s t h a t r e q u i r e

t i g h t r e g u l a t i o n ( < 1 0 m V ) , h i g h e c i e n c y ( > 9 0 % ) a n d h i g h o u t p u t p o w e r ( > 1 0 0 m W ) . T h e

S w i t c h e d C a p a c i t o r ( S C ) d c - d c c o n v e r t e r , o n t h e o t h e r h a n d , h a s i t s n o m i n a l c o n v e r s i o n r a t i o

d e n e d b y i t s t o p o l o g y . W h e n a n S C c o n v e r t e r o p e r a t e s a w a y f r o m i t s u n l o a d e d c o n v e r s i o n

r a t i o , i t s e c i e n c y s u e r s . I t s m a x i m u m p o s s i b l e e c i e n c y , EffMAX , i s g i v e n b y :

Ef fMAX =VOUT

VIN/n( 1 . 1 )

w h e r e VIN i s t h e i n p u t v o l t a g e , VOUT i s t h e o u t p u t v o l t a g e , a n d n i s t h e u n l o a d e d c o n v e r s i o n

r a t i o o f t h e c o n v e r t e r [ 3 ] . I n o r d e r t o a t t a i n h i g h e c i e n c y a c r o s s

VINa n d / o r

VOUTv a r i a t i o n s ,

a n S C c o n v e r t e r n e e d s t o s u p p o r t s e v e r a l c o n v e r s i o n r a t i o s , w h i c h i n c r e a s e s i t s c o m p l e x i t y

a n d t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s w i t c h e s a n d c a p a c i t o r s . D e p e n d i n g o n c o n v e r s i o n r a t i o a n d

t o p o l o g y , a n S C c o n v e r t e r c a n h a v e m o r e t h a n a d o z e n s w i t c h e s a n d c a p a c i t o r s . F u r t h e r ,

a s e x p l a i n e d i n c h a p t e r 3 , t h e r e a r e n u m e r o u s w a y s t o c o n t r o l a n S C c o n v e r t e r . T h e l a r g e

n u m b e r o f a c t i v e c o m p o n e n t s ( s w i t c h e s ) a n d p a s s i v e c o m p o n e n t s ( c a p a c i t o r s ) , t o g e t h e r w i t h

n o n - t r i v i a l c o n t r o l , h a s p r e v e n t e d S C c o n v e r t e r s f r o m b e c o m i n g t h e m o s t p o p u l a r d e s i g n i n

v o l t a g e r e g u l a t o r s . T r a d i t i o n a l l y , S C c o n v e r t e r s a r e u s e d i n l o w p o w e r ( < 1 0 m W ) a p p l i c a t i o n s

w h e r e r e g u l a t i o n a n d e c i e n c y i s n o n - c r i t i c a l . F o r e x a m p l e , S C c o n v e r t e r s a r e u s e d t o b o o s t

v o l t a g e f o r t h e e r a s e f u n c t i o n i n a s h m e m o r i e s . T h i s a p p l i c a t i o n u s e s S C c o n v e r t e r s b e c a u s e

e r a s e v o l t a g e n e e d n o t b e p r e c i s e , a n d l o w e c i e n c y i s t o l e r a b l e s i n c e t h e e r a s e o p e r a t i o n

i s i n f r e q u e n t c o m p a r e d w i t h r e a d i n g . A p p l i c a t i o n s t h a t r e q u i r e h i g h p e r f o r m a n c e v o l t a g e

r e g u l a t o r s a l m o s t a l l u s e t h e b u c k c o n v e r t e r .

H o w e v e r , a s e x p l a i n e d l a t e r i n s e c t i o n 1 . 2 , t h e S C c o n v e r t e r c a n b e s u p e r i o r t o t h e b u c k

c o n v e r t e r i n t e r m s o f b o t h c o s t a n d e c i e n c y . T h i s a l l o w s t h e S C c o n v e r t e r t o b e v e r y

c o m p e t i t i v e i n d c - d c c o n v e r t e r m a r k e t s , w h e r e t h e b u c k c o n v e r t e r c u r r e n t l y d o m i n a t e s . T h i s

w o r k a i m s t o a d d r e s s t h e c h a l l e n g e s i n d e s i g n i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e S C c o n v e r t e r , a n d t o

u n l e a s h t h e f u l l p o t e n t i a l o f t h e S w i t c h e d C a p a c i t o r d c - d c c o n v e r t e r .


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C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N 9

F i g u r e 1 . 1 : B a s i c m o d e l f o r a n S C c o n v e r t e r

1 . 1 T h e m o d e l u s e d f o r S C c o n v e r t e r

B e f o r e a d i s c u s s i o n o f t h e b e n e t s o f u s i n g a n S C c o n v e r t e r , a r e v i e w o f t h e S C c o n v e r t e r

m o d e l a n d o p e r a t i o n i s p r o v i d e d i n t h i s s e c t i o n . T h i s m o d e l h a s b e e n d i s c u s s e d i n r e f e r e n c e s

[ 2 , 3 , 5 , 4 ] , s o o n l y a b r i e f s u m m a r y w i l l b e i n c l u d e d h e r e . F i g u r e 1 . 2 ( a ) s h o w s a s i m p l e 3 : 1

S C c o n v e r t e r u s i n g t h e D i c k s o n t o p o l o g y [ 6 ] . T h i s S C c o n v e r t e r i s a t w o p h a s e c i r c u i t w i t h

n o m i n a l l y 5 0 % d u t y c y c l e . B y c o n n e c t i n g t h e p o w e r - t r a i n c a p a c i t o r s d i e r e n t l y i n t h e t w o

c l o c k p h a s e s , t h e S C c o n v e r t e r a t t a i n s t h e n o m i n a l l y 3 : 1 v o l t a g e c o n v e r s i o n r a t i o b y c h a r g e

s h a r i n g a m o n g t h e c a p a c i t o r s . A s a b e g i n n i n g s t e p [ 3 ] , a n S C c o n v e r t e r c a n b e m o d e l e d a s

a n i d e a l t r a n s f o r m e r i n s e r i e s w i t h a n o u t p u t r e f e r r e d r e s i s t a n c e , ROUT , a s s h o w n i n g u r e 1 . 1 . T h e t u r n s r a t i o i n t h e i d e a l t r a n s f o r m e r r e p r e s e n t s t h e u n l o a d e d c o n v e r s i o n r a t i o o f t h e

c o n v e r t e r . W h e n t h e c o n v e r t e r i s l o a d e d , t h i s n e c e s s i t a t e s a v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e c o n v e r t e r

d u e t o c h a r g e t r a n s f e r a n d c o n d u c t i o n l o s s , a n d t h i s i s r e p r e s e n t e d b y a v o l t a g e d r o p a c r o s s

ROUT . T h e r e a r e t w o a s y m p t o t i c l i m i t s t o ROUT , t h e s l o w s w i t c h i n g l i m i t ( S S L ) , a n d t h e f a s t s w i t c h i n g l i m i t ( F S L ) . I n t h e S S L , c a p a c i t o r s a r e a l l o w e d t o f u l l y e q u i l i b r i a t e w i t h i n

e a c h c l o c k p h a s e , a n d c h a r g e t r a n s f e r c a n b e m o d e l e d a s i m p u l s i v e . I n t h i s l i m i t , ROUT i sd e t e r m i n e d o n l y b y t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y o f t h e c o n v e r t e r a n d t h e c a p a c i t o r s i n t h e c i r c u i t ,

a s e x p l a i n e d i n s u b s e c t i o n 1 . 1 . 1 . I n t h e F S L , c a p a c i t o r v o l t a g e s r e m a i n c o n s t a n t , a n d c u r r e n t

o w i s m o d e l e d a s b e i n g c o n s t a n t w i t h i n e a c h c l o c k p h a s e . I n t h i s l i m i t , ROUT i s d e t e r m i n e d o n l y b y s w i t c h e s a n d o t h e r r e s i s t a n c e s i n t h e c o n v e r t e r , a s e x p l a i n e d i n s u b s e c t i o n 1 . 1 . 2 . A

c o m b i n e d r e s u l t w i l l b e d i s c u s s e d i n s u b s e c t i o n 1 . 1 . 3 .

T h i s s i m p l i e d m o d e l c a p t u r e s t h e s e r i e s c o n d u c t i o n l o s s o f a n S C c o n v e r t e r . O t h e r m a j o r

l o s s e s , n a m e l y s w i t c h i n g l o s s d u e t o g a t e s w i t c h i n g , c a n b e m o d e l e d a s p a r a l l e l l o s s e s . T h i s

c a n b e m o d e l e d a s a r e s i s t o r i n p a r a l l e l w i t h t h e o u t p u t t e r m i n a l i n g u r e 1 . 1 . F o r s i m p l i c i t y

t h i s r e s i s t o r i s n o t i n c l u d e d i n t h e m o d e l b u t s w i t c h i n g l o s s w i l l b e d i s c u s s e d s e p a r a t e l y i n

s u b s e c t i o n 1 . 2 . 3 .

1 . 1 . 1 S S L m o d e l o f S C C o n v e r t e r

I n t h e a s y m p t o t i c s l o w s w i t c h i n g l i m i t ( S S L ) , t h e o u t p u t r e f e r r e d r e s i s t a n c e ROUT , d e n o t e d a s RSSL , i s g i v e n b y :

RSSL =icaps

(ac,i)2

fSWCi( 1 . 2 )


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C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N 1 0

F i g u r e 1 . 2 : ( a ) S c h e m a t i c a n d ( b ) c h a r g e o w o f t h e 3 V - t o - 1 V D i c k s o n C o n v e r t e r i n t h e t w o

c l o c k p h a s e s .


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w h e r e fSW i s t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y o f t h e c o n v e r t e r , a n d Ci s t a n d s f o r t h e c a p a c i t a n c e o f c a p a c i t o r Ci . C o e c i e n t ac,i i s c a l l e d t h e c h a r g e m u l t i p l i e r c o e c i e n t ; i t i s t h e r a t i o b e t w e e n t h e c h a r g e o w p e r p e r i o d i n Ci a n d t h e t o t a l o u t p u t c h a r g e o w p e r p e r i o d i n s t e a d y s t a t e . U s i n g t h e c h a r g e o w d i a g r a m o f a 3 : 1 D i c k s o n C o n v e r t e r [ 6 ] i n g u r e 1 . 2 a s a n e x a m p l e , o n e

c a n s e e t h a t t h e t o t a l c h a r g e o w t o t h e o u t p u t i s q , a n d t h e c h a r g e o w i n b o t h c a p a c i t o r s

C1 a n d C2 a r e q/3 . T h u s ac,1 = ac,2 = 1/3. I f C1 = C2 = 1F a n d fSW = 1MHz , RSSL i sc a l c u l a t e d t o b e 2/9 .

F o r a g i v e n RSSL a n d f r e q u e n c y , o n e c a n o p t i m a l l y s i z e Ci t o g i v e t h e l o w e s t t o t a l c a p a c - i t o r e n e r g y s t o r a g e r e q u i r e m e n t . T h i s e n e r g y , d e n o t e d a s ETOT , i s g i v e n b y :

ETOT =icaps

1

2Ci

vc,i(rated)2

( 1 . 3 )

w h e r e vc,i(rated) i s t h e r a t e d v o l t a g e o f t h e c a p a c i t o r . T h e r a t e d v o l t a g e o f t h e c a p a c i t o r n e e d s t o b e a t l e a s t i t s b l o c k i n g v o l t a g e , a n d i s s u b j e c t e d t o t h e c o n s t r a i n t o f a v a i l a b l e t e c h n o l o g y .

I n g u r e 1 . 2 , t h e b l o c k i n g v o l t a g e o f c a p a c i t o r C2 i s 2V , a n d t h u s vc,2(rated) 2V . T h e o p t i m a l l y s i z e d Ci i s g i v e n b y :

Ci =

ac,ivc,i(rated) 2ETOT

kcaps

ac,kvc,k(rated) ( 1 . 4 ) a n d t h e r e s u l t i n g RSSL i s g i v e n b y :

RSSL =1

2ETOTfSW

icaps

ac,ivc,i(rated)2

( 1 . 5 )

F o r t h e c i r c u i t i n g u r e 1 . 2 , u s i n g a t a r g e t

RSSLo f

2/9,

fSW = 1MHza n d

vc,i(rated)e q u a l s t o t h e r e s p e c t i v e b l o c k i n g v o l t a g e , e q u a t i o n 1 . 5 s h o w s t h a t ETOT = (9/4) J. U s i n g e q u a t i o n 1 . 4 , o n e c a n s h o w t h a t t h e o p t i m a l s i z i n g i s C1 = 1.5F a n d C2 = 0.75F. S i n c e ETOT i s r o u g h l y p r o p o r t i o n a l t o t h e p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ( P C B ) a r e a o f d i s c r e t e c a p a c i t o r s o r s i l i c o n a r e a o f i n t e g r a t e d c a p a c i t o r s , t h i s o p t i m i z a t i o n m e t h o d o l o g y c a n h e l p t o a t t a i n t h e

s m a l l e s t P C B f o o t p r i n t o r s i l i c o n a r e a o f a n S C c o n v e r t e r f o r a g i v e n RSSL .

1 . 1 . 2 F S L m o d e l o f S C C o n v e r t e r

I n t h e a s y m p t o t i c f a s t s w i t c h i n g l i m i t ( F S L ) , t h e o u t p u t r e f e r r e d r e s i s t a n c e ROUT , d e n o t e d a s RFSL , i s g i v e n b y :

RFSL =

iswitches

jphases

RiDj

ajr,i2

( 1 . 6 )

w h e r e Ri i s t h e r e s i s t a n c e o f s w i t c h Si o r o t h e r p a r a s i t i c r e s i s t a n c e s , a n d Dj i s t h e d u t y r a t i o o f t h e j t h p h a s e . C o e c i e n t ajr,i i s t h e c h a r g e m u l t i p l i e r c o e c i e n t , d e n e d s i m i l a r l y t o ac,ii n S S L . I t i s t h e r a t i o b e t w e e n t h e c h a r g e o w p e r p e r i o d i n Si i n p h a s e j a n d t h e t o t a l o u t p u t c h a r g e o w p e r p e r i o d i n s t e a d y s t a t e . I n g u r e 1 . 2 , s w i t c h S1 c o n d u c t s c h a r g e q/3i n p h a s e 1 , b u t i s o i n p h a s e 2 . T h u s a1r,1 = 1/3 a n d a

2r,1 = 0. F o r t h e c i r c u i t i n g u r e 1 . 2 ,


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i f e a c h o f t h e s w i t c h e s h a s a r e s i s t a n c e o f 1 a n d b o t h c l o c k p h a s e s h a v e 5 0 % d u t y r a t i o ( Dj = 0.5) , o n e c a n s h o w t h a t RFSL = 14/9 .

S i m i l a r t o c a p a c i t o r s i n S S L , t h e r e e x i s t s a n o p t i m a l s e t o f s w i t c h s i z e s t h a t w i l l g i v e a

r e q u i r e d RFSL w h i l e m i n i m i z i n g t h e t o t a l s w i t c h s i z e , r e f e r r e d t o a s ATOT . I n a n i n t e g r a t e d c i r c u i t , t h i s q u a n t i t y i s r o u g h l y p r o p o r t i o n a l t o a r e a . T h i s c o s t f u n c t i o n , ATOT , i s g i v e n b y :

ATOT =

iswitches

Gi

vr,i(rated)2

( 1 . 7 )

w h e r e Gi = 1/Ri i s t h e c o n d u c t a n c e o f s w i t c h Si , a n d vr,i(rated) i s i t s r a t e d v o l t a g e . A n a l o - g o u s l y t o c a p a c i t o r s , t h e r a t e d v o l t a g e o f t h e s w i t c h n e e d s t o b e a t l e a s t i t s b l o c k i n g v o l t a g e ,

a n d i s s u b j e c t e d t o t h e c o n s t r a i n t o f a v a i l a b l e t e c h n o l o g i e s . F o r t h e c i r c u i t i n g u r e 1 . 2 ,

s w i t c h S6 b l o c k s 2V , w h e r e a s a l l o t h e r s w i t c h e s b l o c k 1V . T h e c o s t f u n c t i o n , r e p r e s e n t e d b y e q u a t i o n 1 . 7 , r e e c t s t y p i c a l t e c h n o l o g y b e h a v i o r i n b o t h C M O S ( c o m p l i m e n t a r y m e t a l o x i d e

s e m i c o n d u c t o r ) a n d L D M O S ( l a t e r a l l y d i u s e d m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) s w i t c h e s . W h e n

p r a c t i c a l d e v i c e s d e v i a t e f r o m t h i s a s s u m p t i o n , o n e c a n a c c o u n t f o r t h i s b y u s i n g a m e t h o d

s i m i l a r t o t h e o n e o u t l i n e d i n s e c t i o n 2 . 3 . I f o n l y s w i t c h r e s i s t a n c e s a r e b e i n g c o n s i d e r e d a n d

d u t y r a t i o D1 = D2 = D , t h e o p t i m a l s w i t c h c o n d u c t a n c e Gi i s g i v e n b y :

Gi =

ar,ivr,i(rated) ATOT

kswitched

ar,kvr,k(rated) ( 1 . 8 ) a n d t h e r e s u l t i n g RFSL i s g i v e n b y :

RFSL =1

D ATOT

iswitches

ar,ivr,i(rated)2

( 1 . 9 )

F o r t h e c i r c u i t i n g u r e 1 . 2 , u s i n g a t a r g e t RFSL o f 14/9, D1 = D2 = 0.5 a n d vr,i(rated)e q u a l t o t h e r e s p e c t i v e s w i t c h b l o c k i n g v o l t a g e , e q u a t i o n 1 . 9 s h o w s t h a t ATOT = 64/7.U s i n g e q u a t i o n 1 . 8 , o n e c a n s h o w t h a t t h e o p t i m a l s i z i n g i s G6 = 4/7, a n d Gi = 8/7 f o r a l l o t h e r s w i t c h e s . S i n c e ATOT r o u g h l y c o r r e s p o n d s t o t h e d i e a r e a o f i n t e g r a t e d s w i t c h e s , t h i s o p t i m i z a t i o n m e t h o d o l o g y c a n h e l p t o a t t a i n t h e s m a l l e s t d i e a r e a o f a n S C c o n v e r t e r f o r a

g i v e n RFSL .

1 . 1 . 3 C o m b i n e d m o d e l o f S C C o n v e r t e r

W h i l e s u b s e c t i o n s 1 . 1 . 1 a n d 1 . 1 . 2 d i s c u s s o u t p u t r e f e r r e d r e s i s t a n c e s ( ROUT ) i n t h e S S L a n d t h e F S L , a r e a l d e s i g n u s u a l l y l i e s s o m e w h e r e b e t w e e n t h e s e t w o a s y m p t o t i c l i m i t s . I n

t h e i n t e r m e d i a t e r e g i o n , c h a r g e o w b e t w e e n c a p a c i t o r s i n e a c h c l o c k p h a s e w i l l b e n e i t h e r

i m p u l s i v e n o r c o n s t a n t , b u t w i l l d e c a y w i t h a s e t t l i n g t i m e c o n s t a n t . D e r i v i n g a n a l g e -

b r a i c e x p r e s s i o n f o r ROUT i n t h i s r e g i o n i s i n c o n v e n i e n t [ 5 ] , b u t i t c a n b e a p p r o x i m a t e d b y c o m b i n i n g RSSL a n d RFSL a s f o l l o w s :

ROUT

R2SSL + R2FSL ( 1 . 1 0 )

W h e n t h e c o s t o f b o t h c a p a c i t o r s a n d s w i t c h e s a r e i m p o r t a n t , t h e o p t i m a l d e s i g n s t r a t e g y

w i l l b e t o s e t RSSL RFSL , a n d t h e n t o i n d e p e n d e n t l y o p t i m i z e c a p a c i t o r s a n d s w i t c h e s


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u s i n g t h e m e t h o d o l o g y o u t l i n e d i n s u b s e c t i o n s 1 . 1 . 1 a n d 1 . 1 . 2 , r e s p e c t i v e l y . I f t h e d e s i g n

i s c a p a c i t o r c o n s t r a i n e d , o n e m a y w a n t t o p i c k RSSL > RFSL a n d v i c e v e r s a i f t h e d e s i g n i s s w i t c h c o n s t r a i n e d . T h e a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n m e t h o d o l o g y o u t l i n e d i n t h i s s e c t i o n

a r e v e r y u s e f u l i n e v a l u a t i n g a n d d e s i g n i n g a n S C c o n v e r t e r , a n d t h e y w i l l b e t h e b a s i s f o r

d i s c u s s i o n s i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s a n d c h a p t e r s . F u r t h e r b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n c a n b e

f o u n d i n r e f e r e n c e [ 5 ] f o r t h e i n t e r e s t e d r e a d e r .

1 . 2 A d v a n t a g e s o f S C c o n v e r t e r s

T h e m a i n c r i t e r i a f o r e v a l u a t i n g v o l t a g e r e g u l a t o r s a r e : c o m p o n e n t c o s t s , p o w e r e c i e n c y ,

a n d r e g u l a t i o n p e r f o r m a n c e . T h i s s e c t i o n w i l l s h o w t h a t t h e S C c o n v e r t e r i s a d v a n t a g e o u s i n

b o t h c o s t s a n d e c i e n c y w h e n c o m p a r e d t o t h e i n d u c t o r - b a s e d b u c k c o n v e r t e r - t h e d o m i n a n t

a r c h i t e c t u r e f o r d c - d c c o n v e r t e r s . R e g u l a t i o n , h o w e v e r , c a n b e a c o n c e r n , a n d i t w i l l b e

d i s c u s s e d i n d e t a i l i n c h a p t e r 3 . T h e c o m p o n e n t c o s t s o f a d c - d c c o n v e r t e r c a n b e d i v i d e d i n t o

t w o m a i n c a t e g o r i e s , a c t i v e e l e m e n t s ( s w i t c h e s ) o r p a s s i v e e l e m e n t s ( c a p a c i t o r s o r i n d u c t o r s ) ,

a n d c a n b e m e a s u r e d i n t e r m s o f m a n u f a c t u r i n g c o s t , P C B a r e a , a n d d i e a r e a . S u b s e c t i o n s

1 . 2 . 1 a n d 1 . 2 . 2 w i l l u s e t h e s e m e t r i c s t o d i s c u s s a c t i v e a n d p a s s i v e e l e m e n t s r e s p e c t i v e l y . T h e

p o w e r l o s s o f a d c - d c c o n v e r t e r c a n a l s o b e d i v i d e d i n t o t w o m a i n c a t e g o r i e s , c o n d u c t i o n l o s s

a n d s w i t c h i n g l o s s . C o n d u c t i o n l o s s o f a d c - d c c o n v e r t e r i s a s e r i e s l o s s c o m p o n e n t a n d i s

d o m i n a t e d b y i t s a c t i v e e l e m e n t s a n d p a s s i v e e l e m e n t s . S w i t c h i n g l o s s , o n t h e o t h e r h a n d ,

i s a p a r a l l e l l o s s a n d w i l l b e d i s c u s s e d s e p a r a t e l y i n s u b s e c t i o n 1 . 2 . 3 . W h i l e t h e r e a r e m a n y

d i e r e n t S C c o n v e r t e r t o p o l o g i e s , t h i s s e c t i o n w i l l f o c u s o n t h e D i c k s o n t o p o l o g y [ 6 ] s i n c e i t

i s t h e t o p o l o g y c h o s e n i n t h i s w o r k . T h e r e a s o n f o r c h o o s i n g t h e D i c k s o n t o p o l o g y w i l l b e

d i s c u s s e d i n s e c t i o n 2 . 1 .

1 . 2 . 1 A c t i v e e l e m e n t a n a l y s i s

T o c o m p a r e a c t i v e e l e m e n t ( s w i t c h e s ) u t i l i z a t i o n a m o n g p o w e r c o n v e r t e r s , o n e c a n u s e t h e

s w i t c h s t r e s s p a r a m e t e r GV2 p r o d u c t [ 3 1 ] . A h i g h e r GV2 p r o d u c t m e a n s h i g h e r s w i t c h s t r e s s , a n d i t u s u a l l y e n t a i l s m o r e c o s t l y o r l a r g e r P C B a r e a f o r d i s c r e t e s w i t c h e s o r a l a r g e r

d i e a r e a f o r i n t e g r a t e d s w i t c h e s w i t h a t a r g e t p o w e r l o s s . T h e GV2 s w i t c h s t r e s s o f a n S C c o n v e r t e r i s c o m p a r e d t o t h e b u c k c o n v e r t e r u s i n g a n e x a m p l e g i v e n i n g u r e 1 . 3 . F i g u r e

1 . 3 a s h o w s a n S C c o n v e r t e r u s i n g t h e D i c k s o n t o p o l o g y , w h e r e a s g u r e 1 . 3 b s h o w s a b u c k

c o n v e r t e r . B o t h c o n v e r t e r s a r e s t e p p i n g d o w n f r o m 1 0 V t o 1 V a n d w i t h a n o u t p u t c u r r e n t

o f 1 A . A c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e s e t w o c o n v e r t e r s i s d o n e b y c o m p a r i n g t h e e e c t i v e o u t p u t

r e s i s t a n c e , ROUT , o f b o t h c o n v e r t e r s f o r a g i v e n c o s t f u n c t i o n , ATOT , a s s h o w n i n e q u a t i o n 1 . 7 . F o r s i m p l i c i t y ,

ATOTi s s e t t o b e 1 i n t h e c o m p a r i s o n .

I n t e r m s o f t h e S C c o n v e r t e r , a s d i s c u s s e d i n s e c t i o n 1 . 1 , s w i t c h e s o n l y m a t t e r i n t h e F S L

c a l c u l a t i o n s b u t n o t i n t h e S S L c a l c u l a t i o n s , a n d t h u s t h i s s u b s e c t i o n w i l l f o c u s o n a n S C

c o n v e r t e r o p e r a t i n g i n t h e F S L . A l t h o u g h p e a k c u r r e n t t h r o u g h a s w i t c h i s i n n i t e i n S S L ,

t h e s w i t c h e s c a n b e r e d u c e d i n s i z e t o l o w e r t h i s p e a k c u r r e n t w i t h o u t d e t e r i o r a t i n g ROUT .T h u s t h e r e a l s w i t c h s t r e s s o f a n S C c o n v e r t e r c a n b e e v a l u a t e d w h e n i t i s o p e r a t i n g i n t h e

F S L , a n d c a n n o l o n g e r r e d u c e p e a k c u r r e n t w i t h o u t a e c t i n g ROUT . F o r t h e e x a m p l e i n g u r e 1 . 3 a , t h e c h a r g e m u l t i p l i e r c o e c i e n t s , ar,514, = 1/10 f o r s w i t c h e s S5 S14 , w h e r e a s


27/141


( a ) A 1 0 V - t o - 1 V D i c k s o n S C c o n v e r t e r

( b ) A 1 0 V - t o - 1 V b u c k c o n v e r t e r

F i g u r e 1 . 3 : 1 0 V - t o - 1 V S C c o n v e r t e r a n d b u c k c o n v e r t e r


28/141


ar,1,2 = 5/10 a n d ar,3,4 = 4/10 f o r s w i t c h e s 1 , 2 a n d 3 , 4 r e s p e c t i v e l y . I n t e r m s o f b l o c k i n g v o l t a g e , s w i t c h e s S1S5 b l o c k 1V w h e r e a s s w i t c h e s S6S13 b l o c k 2V . T h u s u s i n g e q u a t i o n 1 . 9 , t h e o u t p u t i m p e d a n c e ROUT( RFSL) o f t h e S C c o n v e r t e r e q u a l s i s 26 f o r D =0.5 a n d w h e n ATOT = 1. I n t e r m s o f t h e b u c k c o n v e r t e r , s i n c e t h e d u t y f a c t o r i s 0 . 1 , ROUT = 0.1/G1 + 0.9/G2 , w h e r e G1 a n d G2 a r e t h e s w i t c h c o n d u c t a n c e o f s w i t c h e s S1 a n d

S2 r e s p e c t i v e l y . T h e o p t i m a l s i z i n g o f s w i t c h e s S1 a n d S2 i s s u c h t h a t G2 = 3G1 . S i n c e b o t h s w i t c h e s b l o c k 1 0 V , ATOT =

GV2 = 400G1 . S e t t i n g ATOT = 1, G1 = 1/400. T h u s

ROUT = 0.1/G1 + 0.9/G2 = 160 f o r t h e b u c k c o n v e r t e r . I n t h i s s i m p l e e x a m p l e , t h e b u c k c o n v e r t e r h a s a n o u t p u t i m p e d a n c e , ROUT , t h a t i s m o r e

t h a n s e v e n t i m e s a s h i g h a s t h a t o f t h e S C c o n v e r t e r , a n d t h u s t h e S C c o n v e r t e r i s m u c h

s u p e r i o r i n t e r m s o f s w i t c h u t i l i z a t i o n . A s s h o w n i n r e f e r e n c e s [ 3 , 5 ] , t h i s a d v a n t a g e i n c r e a s e s

f u r t h e r a s c o n v e r s i o n r a t i o i n c r e a s e s , a n d t h i s m a k e s t h e S C c o n v e r t e r e v e n m o r e f a v o r a b l e .

R e f e r e n c e s [ 5 , 4 ] f u r t h e r s h o w t h a t t h e D i c k s o n S C c o n v e r t e r i s a t t h e s w i t c h u t i l i z a t i o n

f u n d a m e n t a l l i m i t o f d c - d c c o n v e r t e r s d e r i v e d i n [ 7 ] , m e a n i n g t h a t n o o t h e r d c - d c c o n v e r t e r ,

w h e t h e r i n d u c t o r - b a s e d o r c a p a c i t o r - b a s e d , c a n h a v e a b e t t e r s w i t c h u t i l i z a t i o n t h a n t h e

D i c k s o n S C c o n v e r t e r .

F u r t h e r , t h e D i c k s o n S C c o n v e r t e r o n l y r e q u i r e s l o w v o l t a g e t r a n s i s t o r s , m a k i n g i t p o s s i b l e

t o o n l y u s e n a t i v e t r a n s i s t o r s i n a C M O S p r o c e s s . T h e b u c k c o n v e r t e r , o n t h e o t h e r h a n d ,

r e q u i r e s h i g h v o l t a g e t r a n s i s t o r s , a n d t h u s m a y r e q u i r e L D M O S t r a n s i s t o r s w h e n s w i t c h e s

a r e i n t e g r a t e d . T h i s c a n i n c r e a s e t h e c o m p l e x i t y o f t h e p r o c e s s a n d i n c r e a s e m a n u f a c t u r i n g

c o s t . H o w e v e r , i f d i s c r e t e t r a n s i s t o r s a r e u s e d , i t m a y b e p o s s i b l e t o m a n u f a c t u r e t h e h i g h

v o l t a g e t r a n s i s t o r s w i t h a l o w c o s t l e g a c y t e c h n o l o g y . A s a c o n c l u s i o n f o r s w i t c h e s , d u e t o

i t s l o w GV2 p r o d u c t a n d l o w s w i t c h b l o c k i n g v o l t a g e , t h e D i c k s o n S C c o n v e r t e r w i l l l i k e l y h a v e l o w e r m a n u f a c t u r i n g c o s t , s m a l l e r d i e a r e a , a n d t h u s l o w e r o v e r a l l c o s t f o r s w i t c h e s .

1 . 2 . 2 P a s s i v e e l e m e n t a n a l y s i s

T h e D i c k s o n t o p o l o g y c h o s e n i n t h i s w o r k i s s u p e r i o r i n s w i t c h u t i l i z a t i o n , b u t n o t i n c a p a c -

i t o r s w h e n c o m p a r e d t o o t h e r S C t o p o l o g i e s [ 3 ] . H o w e v e r , i t s p a s s i v e c o m p o n e n t u t i l i z a t i o n

a n d t h a t o f o t h e r S C t o p o l o g i e s a r e s t i l l s u p e r i o r t o t h e b u c k c o n v e r t e r w h e n o n e t a k e s i n t o

a c c o u n t t h e c o m p a r a t i v e e n e r g y d e n s i t y o f c a p a c i t o r s a n d i n d u c t o r s . T a b l e 1 . 1 s h o w s t h e

d i m e n s i o n a n d e n e r g y d e n s i t y o f r e p r e s e n t a t i v e d i s c r e t e c a p a c i t o r s a n d i n d u c t o r s [ 5 ] . B y

i n s p e c t i o n , s u r v e y e d c a p a c i t o r s h a v e a v o l u m e t r i c e n e r g y d e n s i t y t h a t i s o v e r 1 0 0 0 t i m e s

h i g h e r t h a n t h a t o f s u r v e y e d i n d u c t o r s . T h i s m o r e t h a n c o m p e n s a t e s f o r t h e w e a k e r r e a c t i v e

e l e m e n t u t i l i z a t i o n o f t h e D i c k s o n t o p o l o g y w h e n c o m p a r e d w i t h t h e b u c k c o n v e r t e r a n d

o t h e r S C t o p o l o g i e s [ 4 ] . M o r e o v e r , a s w i l l b e s h o w n i n s e c t i o n 5 . 5 , d i s c r e t e c a p a c i t o r s u s e d

i n S C c o n v e r t e r s a r e u s u a l l y a n o r d e r o f m a g n i t u d e c h e a p e r t h a n t h e d i s c r e t e i n d u c t o r s u s e d

i n b u c k c o n v e r t e r s . W h e n i n t e g r a t e d p a s s i v e s a r e u s e d , r e f e r e n c e s [ 8 , 4 ] f u r t h e r s h o w s t h a t

a n S C c o n v e r t e r c a n a c h i e v e a p o w e r d e n s i t y t h a t i s o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n t h a t

o f t h e b u c k c o n v e r t e r [ 9 , 1 0 ] . W i t h a s u p e r i o r p a s s i v e c o m p o n e n t u t i l i z a t i o n , S C c o n v e r t e r s

c a n p o t e n t i a l l y h a v e l o w e r p a s s i v e c o m p o n e n t c o s t a n d P C B / d i e a r e a f o r a g i v e n a m o u n t

o f p o w e r l o s s , o r e q u i v a l e n t l y a t t a i n a h i g h e r e c i e n c y w i t h t h e s a m e a m o u n t o f r e s o u r c e s ,

w h e n c o m p a r e d t o t h e b u c k c o n v e r t e r .


29/141


T a b l e 1 . 1 : E n e r g y d e n s i t y o f c o m m o n c a p a c i t o r s a n d i n d u c t o r s

T y p e M a n u f a c t u r e r C a p a c i t a n c e D i m e n s i o n s [ mm3 ] E n e r g y d e n s i t y C e r a m i c C a p T a i y o - Y u d e n 22F@4V 1.6 0.8 0.8 344J/mm3

C e r a m i c C a p T a i y o - Y u d e n 1F@35V 1.6 0.8 0.8 1196J/mm3

T a n t a l u m C a p V i s h a y

10F@4V 1.0 0.5 0.6 533J/mm3

T a n t a l u m C a p V i s h a y [email protected] 2.4 1.45 1.1 1037J/mm3

E l e c t r o l y t i c C a p K e m e t 22F@16V 7.3 4.3 1.9 94J/mm3

E l e c t r o l y t i c C a p C . D . E 210mF@50V 76 219 172J/mm3



S h i e l d e d I n d u c t o r C o i l c r a f t [email protected] 11 11 9.5 0.148J/mm3

S h i e l d e d I n d u c t o r M u r a t a [email protected] 29.8 21.8 0.189J/mm3

1 . 2 . 3 S w i t c h i n g l o s s a n a l y s i s

W h i l e t h e S C c o n v e r t e r i s s u p e r i o r t o t h e b u c k c o n v e r t e r i n t e r m s o f b o t h a c t i v e a n d p a s s i v e

c o m p o n e n t s , t h i s o n l y r e p r e s e n t s e r i e s l o s s . A c o m p l e t e a n a l y s i s o f p o w e r l o s s r e q u i r e s t h e

c o n s i d e r a t i o n o f p a r a l l e l l o s s , w h i c h i s d o m i n a t e d b y s w i t c h i n g l o s s . T h e m a i n s w i t c h i n g l o s s

i n a n S C c o n v e r t e r i s d u e t o t h e v o l t a g e u c t u a t i o n s i n t h e p o w e r - t r a i n c a p a c i t o r s , b u t t h i s

h a s a l r e a d y b e e n a c c o u n t e d f o r i n t h e S S L c a l c u l a t i o n o f c o n d u c t i o n l o s s . T h e o t h e r s w i t c h i n g

l o s s e s , g a t e d r i v e a n d p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e , a r e c o m m o n t o b o t h t h e S C c o n v e r t e r a n d b u c k

c o n v e r t e r . H o w e v e r , t h e b u c k c o n v e r t e r h a s a n a d d i t i o n a l s w i t c h i n g l o s s c o m p o n e n t d u e t o

i n d u c t i v e c o m m u t a t i o n o f c u r r e n t f r o m o n e s w i t c h t o a n o t h e r . T h i s l e a d s t o p o w e r l o s s w h e n

b o t h c u r r e n t a n d v o l t a g e a p p e a r a c r o s s a s w i t c h d u r i n g p h a s e t r a n s i t i o n . W h i l e r e s o n a n t

m e t h o d s l i k e z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n g ( Z C S ) a n d z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g ( Z V S ) c a n r e d u c e t h i s

l o s s [ 1 1 , 1 2 , 1 3 ] , t h i s l o s s s t i l l r e m a i n s a s i g n i c a n t p o r t i o n o f t h e t o t a l s w i t c h i n g l o s s o f a b u c k

c o n v e r t e r i n m o s t c a s e s . T h e S C c o n v e r t e r i s i n a c l e a r a d v a n t a g e i n t h i s a s p e c t a s c u r r e n t

g o e s t o z e r o r i g h t a f t e r a s w i t c h t u r n s o u n l e s s t h e r e i s s i g n i c a n t p a r a s i t i c i n d u c t a n c e . A

p a r a s i t i c i n d u c t a n c e c a n l e a d t o a d i s s i p a t i o n o f i t s s t o r e d e n e r g y a t t h e e n d o f a c o n d u c t i o n

p e r i o d , b u t w i t h v a l u e s i n t h e o r d e r s o f nH f o r t h e c o n v e r t e r s b u i l t i n t h i s w o r k , t h i s l o s s i s n e g l i g i b l e . W h i l e p a r a s i t i c i n d u c t a n c e s d o n o t l e a d t o s i g n i c a n t p o w e r l o s s , t h e y c a n l e a d t o

o v e r v o l t a g e s t r e s s f o r s o m e c i r c u i t s , a n d t h i s n e c e s s i t a t e s t h e i n c l u s i o n o f p r o t e c t i o n c i r c u i t s

t o b e d i s c u s s e d i n c h a p t e r 4 , s e c t i o n 4 . 1 1 .

I n t e r m s o f t h e s w i t c h i n g l o s s e s t h a t a r e c o m m o n t o b o t h t h e S C c o n v e r t e r a n d t h e b u c k

c o n v e r t e r , t h e S C c o n v e r t e r b e n e t s f r o m h a v i n g a l o w e r v o l t a g e s w i n g i n a l l o f i t s s w i t c h i n g

n o d e s . U s i n g g u r e 1 . 3 a s a n e x a m p l e , n o n o d e s i n t h e S C c o n v e r t e r n e e d t o s w i n g m o r e t h a n

2 V , w h e r e a s t h e i n t e r n a l n o d e i n t h e b u c k c o n v e r t e r n e e d s t o s w i n g 1 0 V . S i n c e c a p a c i t i v e

l o s s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f t h e v o l t a g e s w i n g , t h i s w i l l l i k e l y l e a d t o a m u c h h i g h e r

l o s s f o r t h e b u c k c o n v e r t e r . I n t h e c a s e o f a n S C c o n v e r t e r u s i n g i n t e g r a t e d c a p a c i t o r s ,

t h e r e i s c a p a c i t o r b o t t o m p l a t e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e t h a t i s a b s e n t i n t h e b u c k c o n v e r t e r [ 8 ] .

H o w e v e r , t h i s c a p a c i t a n c e i s n e g l i g i b l e f o r d i s c r e t e p a s s i v e s . A l l o f t h e s e f a c t o r s a d d u p t o

a l l o w t h e S C c o n v e r t e r t o h a v e m u c h l o w e r s w i t c h i n g l o s s t h a n a b u c k c o n v e r t e r . W i t h a n

a d v a n t a g e i n b o t h c o n d u c t i o n l o s s a n d s w i t c h i n g l o s s , t h e S C c o n v e r t e r h a s a t o t a l p o w e r

l o s s t h a t i s l o w e r t h a n t h a t o f t h e b u c k c o n v e r t e r i n a n o p t i m i z e d d e s i g n .


30/141


1 . 3 T a r g e t a p p l i c a t i o n s o f t h i s w o r k

A f t e r d i s c u s s i n g t h e a d v a n t a g e s o f t h e S C c o n v e r t e r i n s e c t i o n 1 . 2 , t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s w i l l

d i s c u s s t h e m e t h o d s t o r e a l i z e t h e m i n a r e a l d e s i g n . T h e p o i n t - o f - l o a d a p p l i c a t i o n i s c h o s e n

a s t h e t a r g e t a p p l i c a t i o n b e c a u s e i t i s a n i m p o r t a n t o n e d o m i n a t e d b y t h e b u c k c o n v e r t e r .

B y s h o w i n g t h e s u p e r i o r i t y o f t h e S C c o n v e r t e r i n t h i s a r e a , t h i s w o r k w i l l s h o w t h a t t h e

a p p l i c a t i o n s f o r S C c o n v e r t e r s c a n b e g r e a t l y e x p a n d e d . T h e s p e c i c a t i o n o f t h i s w o r k i s a

d c - d c c o n v e r t e r s t e p p i n g d o w n t o 1 . 5 V w i t h a n i n p u t v o l t a g e r a n g e o f 7 . 5 V - 1 3 V , a n d w i t h

a n o u t p u t c u r r e n t o f 1 A .

T h i s m o d e r a t e c o n v e r s i o n r a t i o i s c h o s e n b e c a u s e i t i s c o m m o n f o r m a n y a p p l i c a t i o n s .

F o r e x a m p l e , t h e l a p t o p c o m p u t e r p o w e r c o n v e r t e r m a y n e e d t o s t e p d o w n f r o m 1 0 - 1 6 V d o w n

t o 1 - 2 V . F u r t h e r , m o s t t e l e c o m m u n i c a t i o n a n d n e t w o r k s w i t c h i n g s y s t e m s i n c l u d e o n - b o a r d

p o w e r s u p p l i e s t h a t s t e p d o w n f r o m 1 2 V t o 1 - 2 V . T h i s m a r k e t i s c u r r e n t l y d o m i n a t e d b y

t h e b u c k c o n v e r t e r a n d c o n s t i t u t e s a s i g n i c a n t p r o p o r t i o n o f t h e o v e r a l l d c - d c c o n v e r t e r

m a r k e t . T h i s m a r k e t s e c t i o n r e q u i r e s a c o n v e r s i o n r a t i o t h a t h a s n o t b e e n a t t e m p t e d b y

a n y S C c o n v e r t e r s t o t h e b e s t o f t h e a u t h o r ' s k n o w l e d g e . M o s t S C c o n v e r t e r s o p e r a t e w i t h

a c o n v e r s i o n r a t i o o f l e s s t h a n 4 - t o - 1 , a n d t h u s a s u c c e s s f u l 8 - t o - 1 S C c o n v e r t e r e x p a n d s

t h e s c o p e o f S C c o n v e r t e r s i n t o t h i s v a s t m a r k e t . C o i n c i d e n t a l l y , t h e b e n e t s o f u s i n g a n

S C c o n v e r t e r i n c r e a s e w i t h h i g h e r c o n v e r s i o n r a t i o , a n d t h u s t h i s c h o i c e o f c o n v e r s i o n r a t i o

i s a l s o a s t r a t e g i c o p p o r t u n i t y t o s h o w c a s e t h e s u p e r i o r i t y o f t h e S C c o n v e r t e r . A h i g h e r

c o n v e r s i o n r a t i o i s n o t c h o s e n b e c a u s e t h e n u m b e r o f c o m p o n e n t s a n d c o m p l e x i t y o f t h e

c o n v e r t e r i n c r e a s e s w i t h c o n v e r s i o n r a t i o . A m o d e r a t e c o n v e r s i o n r a t i o r e p r e s e n t s a t r a d e - o

b e t w e e n t h e p o t e n t i a l r e l a t i v e b e n e t a n d t h e c o m p l e x i t y o f t h e c i r c u i t .

T h e m o d e r a t e o u t p u t c u r r e n t o f 1 A i s c h o s e n b e c a u s e t h i s c u r r e n t l e v e l i s s i g n i c a n t l y

h i g h e r t h a n t h e t y p i c a l v a l u e s f o r S C c o n v e r t e r s i n t h e m a r k e t . M o s t S C c o n v e r t e r s n o t

o n l y h a v e a l o w c o n v e r s i o n r a t i o , b u t a l s o h a v e c u r r e n t l e v e l s b e l o w 1 0 0 m A . H o w e v e r , m a n y

a p p l i c a t i o n s d i c t a t e l o a d c u r r e n t w e l l a b o v e 1 A , f o r e x a m p l e a m i c r o p r o c e s s o r c a n d r a w u p

t o 1 0 0 A o f c u r r e n t . B e i n g a b l e t o s u p p l y h i g h c u r r e n t i s a n i m p o r t a n t m a r k e t s e g m e n t a s

e l e c t r o n i c s b e c o m e m o r e p o w e r h u n g r y . T h e s e a p p l i c a t i o n s a r e e x c l u s i v e l y d o m i n a t e d b y

t h e b u c k c o n v e r t e r , a n d t h u s i t w i l l b e g r o u n d b r e a k i n g t o s h o w t h a t t h e S C c o n v e r t e r n o t

o n l y c a n a c h i e v e s i m i l a r r e s u l t s b u t c a n d o e v e n b e t t e r . A l o a d c u r r e n t l e v e l e x c e e d i n g 1 A

i s n o t c h o s e n b e c a u s e t h o s e c o n v e r t e r s a r e u s u a l l y m u l t i - p h a s e a n d b u i l t w i t h m a n y s m a l l e r

c o n v e r t e r s b u n d l e d t o g e t h e r . A l t h o u g h o n e c a n a p p l y m u l t i - p h a s e t e c h n i q u e t o S C c o n v e r t e r s

a s w e l l , t h i s n o n e t h e l e s s a d d s a n o t h e r l a y e r o f c o m p l e x i t y t o t h e d e s i g n . S i n c e t h e p u r p o s e o f

t h i s w o r k i s p a t h - n d i n g , i t i s s t r a t e g i c t o l i m i t t h e c o m p l e x i t y a n d n o t t r y t o r e a c h t h e e n d

g o a l i n o n e s t e p . A n o u t p u t c u r r e n t l e v e l o f 1 A i s a t y p i c a l c u r r e n t l e v e l f o r a s i n g l e p h a s e

b u c k c o n v e r t e r i n t h e m a r k e t , a n d t h u s u s i n g a s i n g l e p h a s e S C c o n v e r t e r f o r t h i s w o r k w i l l

b e a f a i r c o m p a r i s o n .

I n t e r m s o f i n t e g r a t i o n , m o s t b u c k c o n v e r t e r s w i t h s i m i l a r c o n v e r s i o n r a t i o a n d o u t p u t

c u r r e n t u s e i n t e g r a t e d s w i t c h e s a n d o - c h i p i n d u c t o r s . T h u s t h i s w o r k u t i l i z e s i n t e g r a t e d

s w i t c h e s a n d o - c h i p p a s s i v e s , n a m e l y c a p a c i t o r s , a s w e l l . T h e c h i p s f a b r i c a t e d i n t h i s w o r k

u t i l i z e t h e 0.18m/0.6m ( C M O S + L D M O S ) p r o c e s s f r o m N a t i o n a l S e m i c o n d u c t o r . T h i s t e c h n o l o g y n o d e i s p o p u l a r a m o n g p o w e r c o n v e r t e r s f o r t h i s a p p l i c a t i o n . C h a p t e r s 2 a n d

3 d i s c u s s t h e a r c h i t e c t u r e a n d c o n t r o l a l g o r i t h m o f t h i s w o r k , a n d c h a p t e r 4 d i s c u s s e s t h e

c i r c u i t d e s i g n s . C h a p t e r 5 d i s c u s s e s t h e t e s t r e s u l t s o f t h e t e s t c h i p s , a n d c o m p a r e s t h e m


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w i t h o t h e r w o r k s f r o m i n d u s t r y a n d l i t e r a t u r e . T h e c u l m i n a t i n g t e s t c h i p o b t a i n s a p e a k

e c i e n c y o f 9 2 % , a n d m a i n t a i n s a n e c i e n c y h i g h e r t h a n 8 0 % f r o m 5 m A t o 1 A o f o u t p u t

c u r r e n t . T h i s p e r f o r m a n c e n o t o n l y f a r e x c e e d s t h a t o f t h e s u r v e y e d S C c o n v e r t e r s , b u t a l s o

e x c e e d s t h a t o f s u r v e y e d b u c k c o n v e r t e r s . F u r t h e r , t h e P C B f o o t p r i n t o f t h e c a p a c i t o r s i n

t h i s w o r k i s o n l y a f r a c t i o n o f t h e P C B f o o t p r i n t a r e a o f t h e i n d u c t o r s i n t h e s u r v e y e d b u c k

c o n v e r t e r s . T h e s e r e s u l t s s h o w t h a t t h e S C c o n v e r t e r c a n b e m o r e t h a n c o m p e t i t i v e i n a n

a r e a w h e r e t h e b u c k c o n v e r t e r h a s d o m i n a t e d f o r d e c a d e s . C h a p t e r 6 c o n c l u d e s t h i s w o r k

a n d d i s c u s s e s f u t u r e o p p o r t u n i t i e s t o f u r t h e r e x p a n d t h e p o t e n t i a l o f t h e S C c o n v e r t e r .


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C H A P T E R 2 . A R C H I T E C T U R E 1 9

C h a p t e r 2

A r c h i t e c t u r e

A f t e r d i s c u s s i n g t h e m o t i v a t i o n a n d s p e c i c a t i o

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