Design and Implementation of Fully-Integrated Inductive DC-DC Converters in Standard CMOS

پیشرفت فناوری در صنعت نیمه هادی ها منجر به انقلابی به سمت برنامه های الکترونیکی پیشرفته، کوچک، هوشمند، با باتری و بی سیم شده است. ولتاژ(های) تغذیه مورد نیاز این برنامه ها به دلایل فنی به ندرت با ولتاژ متغیر باتری مطابقت دارد. بنابراین، مبدل های ولتاژ کارآمد برای پر کردن این شکاف ولتاژ، بدون به خطر انداختن استقلال باتری مانند مبدل های ولتاژ خطی، بسیار مهم هستند. علاوه بر این، محدودیت‌های فضا و هزینه، انگیزه‌ای قوی برای مبدل‌های DC-DC با حالت سوئیچ CMOS کاملاً یکپارچه ایجاد می‌کنند و به طور مؤثر نیاز به پسیوهای بزرگ و گران قیمت خارج از تراشه (سلف‌ها و خازن‌ها) را از بین می‌برند.

برای دستیابی به این هدف، مبدل‌های القایی DC-DC کاملاً یکپارچه در CMOS استاندارد دارایی‌های زیر را فراهم می‌کنند:

• یک پایه نظری محکم اما جامع بر روی مبدل‌های DC-DC با حالت سوئیچ‌شده، که به طراح این امر بسیار مهم را می‌دهد. اطلاعاتی برای درک اصول عملکرد و محدودیت های اساسی انواع مختلف مبدل های DC-DC، از جمله مبدل های خطی، مبدل های پمپ شارژ و مبدل های القایی.
• مشاهده اجمالی و مقایسه انواع مبدل های DC-DC القایی و مقایسه متقابل آنها نسبت به ادغام یکپارچه، یک پایگاه دانش همه کاره را برای مطابقت با محدودیت های مبدلی که باید طراحی شود، فراهم می کند.
• یک مدل دقیق و سریع برای مبدل های القایی DC-DC کاملاً یکپارچه مورد بحث قرار می گیرد، با در نظر گرفتن موارد تمام زیان های قابل توجه در فناوری های CMOS را در نظر بگیرید. این مدل امکان پیش بینی بسیار دقیق پارامترهای حالت پایدار از جمله کارایی را فراهم می کند. علاوه بر این، با وجود فضای طراحی چند بعدی، امکان همگرایی سریع به سمت مقادیر طراحی بهینه را فراهم می کند.
• طرح های کنترل سرعت بالا برای کنترل ولتاژ خروجی به طور مستقیم و از نقطه نظر عملی توضیح داده شده است. علاوه بر این، سه مفهوم کنترل جدید: COOT، SCOOT و F²SCOOT آشکار می شوند. شماتیک های بتن زیادی ارائه و توضیح داده شده است که در تحقق تراشه های مختلف نیز استفاده می شود. به این ترتیب، این رویکرد عملی "احساس" طراحی سیستم کنترل را برای مبدل های DC-DC کاملاً یکپارچه به طراح ارائه می دهد.
• این کتاب با هفت تراشه اثبات مفهوم عملی به پایان می رسد. مبدل‌های DC-DC کاملاً یکپارچه، در نتیجه از هر دو سیم اتصال و سلف فلزی استفاده می‌کنند. بسیاری از مسائل عملی، مانند چیدمان تراشه و تنظیمات اندازه‌گیری، مورد بحث قرار می‌گیرند و اطلاعات عملی دقیق‌تری را در مورد موضوع در اختیار طراح قرار می‌دهند.

کاملاً یکپارچه شده است. مبدل‌های DC-DC القایی در استاندارد CMOS یک کار ضروری برای مهندسین تحقیق و طراحی است که با مبدل‌های DC-DC کاملاً و/یا بسیار یکپارچه‌شده مواجه هستند. رویکرد در این کتاب از یک پایه نظری محکم برای درک مبادلات، به سمت یک ذهنیت بسیار عملی و واقع گرایانه است.

Technological progress in the semiconductor industry has led to a revolution towards new advanced, miniaturized, intelligent, battery-operated and wireless electronic applications. The required supply voltage(s) of these applications seldom matches the varying battery voltage, due to technological reasons. Therefore, efficient voltage converters are crucial to bridge this voltage gap, without compromising the battery’s autonomy as do linear voltage converters. In addition, both space and cost constraints form a strong incentive towards fully-integrated CMOS switched-mode DC-DC converters, effectively eliminating the need for large and expensive off-chip passives (inductors and capacitors).

To achieve this goal Fully-Integrated Inductive DC-DC Converters in Standard CMOS provides the following assets:

• A firm but comprehensive theoretical base on switched-mode DC-DC converters, giving the designer the crucial information for understanding the operating principles and fundamental limitations of different types of DC-DC converters, including linear converters, charge-pump converters and inductive converters.
• An overview and comparison of different types of inductive DC-DC converters and their mutual comparison towards monolithic integration provides a versatile knowledge base to match witch the constraints of the converter to be designed.
• An accurate and fast model for fully-integrated inductive DC-DC converters is discussed, taking into account all the significant losses in CMOS technologies. This model allows very accurate prediction of the steady-state parameters, including the efficiency. Furthermore, it allows a fast convergence towards the optimal design values, despite the multi-dimensional design-space.
• High-speed control schemes for controlling the output voltage are explained intuitively and from a practical point of view. In addition three new control concepts: COOT, SCOOT and F²SCOOT are revealed. Many concrete schematics are provided and explained, which are also used in the various chip realizations. As such, this hands-on approach provides the “feeling” for control system design for fully-integrated DC-DC converters to the designer.
• The book is concluded with seven practical proof-of-concept chip realizations of fully-integrated DC-DC converters, thereby using both bondwire and metal-track inductors. Many practical issues, such as chip lay-out and measurement setups, are discussed, providing the designer even more to-the-point practical information on the subject.

Fully-Integrated Inductive DC-DC Converters in Standard CMOS is an essential work for research and design engineers that are confronted with fully- and/or highly-integrated DC-DC converters. The approach in this book ranges from a firm theoretical base to understand the trade-offs, towards a highly practical and realistic mindset.