Design of a Fully Integrated Power Management Unit with a Multi-ratio and Multi-cell Switched-Capacitor DC-DC Converter

Abstract

The Internet of Things (IoT) smart nodes deployment have been increasing rapidly in recent years, in a wide range of applications. These nodes are typically inserted in Wireless Sensor Networks (WSN), ranging from a few numbers to hundreds of nodes. Solutions using System-on-Chip (SoC) have been proposed for the nodes implementation, due to their low production costs. One import block of these SoCs is the Power Management Unit (PMU), used to power the node. Since the available energy is limited, efficient energy conversion is crucial to reduce the maintenance costs. To this end, Switched-Capacitor (SC) DC-DC converters have been proposed, since they can be fully integrated in CMOS technology, and offer a good trade-off between efficiency and power density. This thesis describes the design and test of two PMU Integrated Circuit (IC) prototypes in 130 nm bulk CMOS technology. The first is a 1 mW PMU composed by a multi-ratio SC converter with three voltage Conversion Ratios (CRs) 1/2, 2/3, and 1/1, covering an input voltage range of 1.1 V to 2.3 V, and generating a 0.9 V output voltage. It also includes a set of auxiliary circuits including a phase generator, a CR controller, the switch drivers, and a start-up circuit. The total circuit active area is 0.138 mm2 and a peak efficiency of 80.4% was measured. The second prototype is a fully integrated 16 mW PMU which includes a multi-ratio 1+3 binary-weighted SC converter, including the same CRs, and the same input voltage range and output voltage value of the previous prototype. The PMU is now completely fully integrated by removing the external decoupling capacitor and by integrating the voltage reference generator, both external in the first prototype. The decoupling capacitor was removed by employing a time interleaving scheme and by using capacitance modulation, according with the output power level and input voltage value, sensed through the clock frequency. The PMU includes the first prototype re-designed auxiliary circuits plus a cell controller and voltage reference generator. The total circuit active area is 5.12 mm2 and a peak efficiency of 74.3% was measured.

A implementação de nós inteligentes no âmbito da Internet das Coisas (IoT) tem vido a aumentar nos últimos anos. Estes nós estão normalmente inseridos em redes de sensores sem fios (WSN), cujo número pode variar desde algumas unidades até centenas. Para reduzir os custos de produção, têm sido propostas soluções que utilizam Sistemas em Chip (SoC) onde um dos blocos fundamentais é a Unidade de Gestão de Potência (PMU), utilizada para fornecer energia ao nó. Visto que a energia disponível é limitada, é crucial que a sua conversão seja feita de forma eficiente para reduzir os custos de manutenção. Assim, conversores DC-DC de Condensadores Comutados (SC) têm sido utilizados, porque são facilmente integrados na tecnologia CMOS, obtendo um bom balanço entre eficiência e densidade de potência. Esta tese descreve o dimensionamento e teste de dois protótipos (IC) de duas PMUs, fabricadas na tecnologia CMOS 130 nm. O primeiro é uma PMU de 1 mW, composta por um conversor SC com três rácios de conversão (CR): 1/2, 2/3, e 1/1; que permite converter uma tensão de entrada entre 1.1 V e 2.3 V, numa tensão de saída fixa de 0.9 V. Inclui ainda os seguintes circuitos auxiliares: gerador de fases, controlador de CRs, drivers dos interruptores, e um circuito de start-up. A área ativa do circuito é de 0.138 mm2 e a eficiência máxima medida foi de 80.4%. O segundo protótipo é uma PMU totalmente integrada de 16 mW, que inclui um conversor SC com múltiplos rácios e 1+3 células pesadas binariamente. Os CRs e as tensões de entrada e saída são iguais às do primeiro protótipo. A PMU é totalmente integrada uma vez que foi removido o condensador de desacoplamento da saída e foi integrado o gerador da tensão de referência, ambos externos protótipo anterior. O condensador de desacoplamento foi removido utilizando técnicas de múltiplas fases intercaladas e de modulação da capacidade, feita de acordo com o valor de potência da saída e da tensão de entrada. A PMU inclui os mesmos circuitos auxiliares redimensionados do primeiro protótipo, mais um controlador de células e um gerador da tensão de referência. A área de ativa do circuito é de 5.12 mm2 e a máxima eficiência medida foi de 74.3%.