Volledig-geïntegreerde geavanceerde-uitfasering geschakelde-condensator DC-DC converters

Vermogenconverters vormen een essentieel onderdeel van een globale infrastructuur waarvan een groot deel van de huidige samenleving afhankelijk is. Voor DC-DC converters in electronica is er een sterke trend naar integratie op microchips, idealiter samen met hun last. Bovenop voordelen qua grootte en kost, vormt de resulterende volledig geïntegreerde converter een belangrijke sleutel in het reduceren van verliezen gerelateerd aan het vermogentransport en in het mogelijk maken van granulaire, dynamische spanningsschaling in digitale circuits. Beiden zouden kunnen leiden naar een substantiële verbetering van de systeemefficiëntie. Omdat veel van de centrale processoreenheden en systemen-op-een-chip vandaag de dag gelimiteerd zijn in hun vermogendichtheid, kan deze efficiëntiewinst bovendien omgezet worden naar performantie.

Geschakelde-condensator DC-DC converters zijn naar voren gekomen als een beloftevolle kandidaat voor integratie omdat zowel schakelaars als condensatoren direct beschikbaar zijn in de huidige geïntegreerde technologieën. Dat gezegd zijnde is zelfs voor deze converters de monolithische context een uitdaging. Deels door de grote parasitaire koppeling en de beperkte capaciteitsdichtheid is de efficiëntie en vermogendichtheid gelimiteerd. Daarenboven heeft dit type converter een zeer nauw conversieverhoudingsbereik dicht bij een vast, rationaal conversieverhouding. Uiteraard is dit problematisch voor batterijgeconnecteerde apparaten of dynamische spanningsschaling. Het hoofddoel van dit werk is om deze gebreken te verzachten door middel van geavanceerde multifasering. Hierbij gaan verschillende parallel-geplaatste converterkernen actief met elkaar interageren over verschillende fasen om hun performantie te verbeteren. Zodoende kan dit werk ook beschouwd worden als een verkenning van het tot zover grotendeels onbestudeerde fasedomein.

Deze thesis geeft een overzicht van de fundamentele concepten achter monolithische geschakelde-condensator converters en wijst erop dat, na optimalisatie, er een uitgesproken lage- en hoge- vermogendichtheidsregime is. In de eerstgenoemde bereikt de converterefficiëntie een maximum, terwijl in de tweede een efficiëntie-vermogendichtheid wisselwerking kan worden waargenomen. Drie verdienstegetallen worden geïntroduceerd die de converterperformantie vergelijken met deze theoretische regimes, of evalueren voor het reduceren van vermogentransportverliezen. De theorie wordt uitgebreid met een spanningsdomeinanalyse die leidt naar een fundamentele wet van conventionele geschakelde-condensator converters. Deze wet, die verschillende condensatorattributen relateert aan de conversieverhouding, demonstreert indirect het sleutelvoordeel van multifase- over tweefase converters.

Met het oog op het reduceren van de parasitaire koppelingsverliezen wordt een eerste geavanceerde multifaseringstechniek, Schaalbare Parasitaire Ladingsherverdeling, voorgesteld waarbij de lading op de parasitaire koppeling continu wordt gerecycleerd tussen uit-fase converterkernen via verschillende ladingsherverdelingslijnen. Omdat deze techniek de vooraf-bepaalde efficiëntielimiet verwijdert, wordt het basis verliesmodel geüpdatet met transistorlek om een nieuw fundamenteel maximum vast te leggen. Dankzij de techniek is een converter gerealiseerd die de parasitaire koppelingsverliezen met een factor tien reduceert en een recordefficiëntie van 94.6% bereikt. Aangezien de ladingsherverdelingslijnen een vaste spanning hebben, worden deze tevens onderzocht als een manier om interne circuits te voeden.

Etappe Uitfasering en Multifasig Zachtladen zijn twee technieken die focussen op de beperkte capaciteitsdichtheid door ladingsoverdrachten tussen condensatoren uit te spreiden over verschillende kleinere en efficiëntere stappen. Het resultaat is dat de effectieve capaciteitsdichtheid van de converter verbetert, hetgeen nuttig is bij hoge- en lage vermogendichtheden. Beide technieken worden aangetoond te werken bij verschillende topologieën, maar blijken uitermate gunstig in combinatie met Dickson converters met een grote conversieverhouding. Een implementatie in een standaard geïntegreerde technologie verifieert hun werkingsprincipe door de capaciteitsdichtheid met 60% te vergroten en een record efficiëntie-vermogendichtheid combinatie te behalen van 82% en 1.1W/mm².

Conventionele geschakelde-condensator converters minimaliseren de spanningsschommeling van hun condensatoren om zo hun ladingsdelingverliezen te reduceren en een efficiënte werking te bekomen voor een nauw conversieverhoudingsbereik. In deze thesis word een fundamenteel nieuw type geschakelde-condensator converter geïntroduceerd met grote spanningsschommeling- condensatoren die efficiënt wordt gemaakt door middel geavanceerde multifasering. Een specifieke topology heeft een gyrator-gedrag en is bijgevolg de eerste puur capacitieve convertertopologie met een continu-schaalbare conversieverhouding. Een converter die deze topologie implementeert, realiseert het grootste efficiënte conversieverhoudingsbereik in de literatuur.