Contribution to the design of switched-capacitor voltage regulators in 28nm FDSOI CMOS

par Thomas Souvignet

Thèse de doctorat en Energie et systèmes

Sous la direction de Bruno Allard.

Soutenue le 12-06-2015

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) (laboratoire) , Ampère (laboratoire) et de Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes (équipe de recherche) .

Le président du jury était Yves Lembeye.

Le jury était composé de Bruno Allard, Yves Lembeye, José Cobos, Aleksandar Prodic, Frederic Hasbani, Benoît Labbé, Severin Trochut.

Les rapporteurs étaient José Cobos, Aleksandar Prodic.

  • Titre traduit

    Contribution à la conception de régulateurs de tension à capacités commutées en technologie 28nm FDSOI CMOS


  • Résumé

    Les appareils multimédias portables nécessitent toujours plus d'innovation pour satisfaire les besoins des utilisateurs. Les fabricants de système-sur-puces font donc face à une forte demande en capacité de calcul jusqu'à lors réservée aux ordinateurs de bureau. Ce transfert de performance se répercute inévitablement sur la consommation de ces appareils alors que dans le même temps la capacité des batteries n'est pas en mesure de répondre à cet accroissement. De nombreux compléments matériels et logiciels sont mis en places afin d'économiser l'énergie au maximum sans toutefois dégrader les performances. La modulation de la fréquence de fonctionnement et de la tension d'alimentation est certainement la plus efficace mais reste néanmoins limitée par les coûts et les contraintes d'encombrement exigées par la taille des appareils. La réponse à un tel problème passe nécessairement par l'intégration d'une partie de l'alimentation dans la puce. La conversion DC-DC basée sur des convertisseurs à capacités commutées est prometteuse car elle permet de garder un maximum de compatibilité avec les process CMOS actuels. Cette thèse explore donc la conception d'une architecture d'alimentation utilisant des convertisseurs à capacités commutées. Un étage de puissance avec une tension d'entrée est de 1.8 V et des ratios programmables permet d'obtenir le rendement maximum pour une plage de tension de sortie allant de 0.3 à 1.2 V. La tension de sortie peut varier en fonction du point de fonctionnement requit par le système. Afin d'assurer le maximum de compatibilité avec la conception du circuit numérique à alimenter, une architecture modulaire basée sur les capacités MIM est privilégiée. Les capacités sont placées au dessus de la fonction numériques et les interrupteurs de puissance sont insérés à sa périphérie. Cette architecture permet également d'entrelacer les cellules de conversion afin de réduire l'ondulation de la tension de sortie. La fréquence de commutation du convertisseurs est communément utilisée pour réguler la tension de sortie et des stratégies de contrôles linéaires et non linéaires sont donc explorées. Un prototype de convertisseur présentant une densité de puissance de 310mW/mm2 pour un rendement de 72.5% a été fabriqué dans la technologie 28nm FDSOI de STMicroelectronics. La surface requise pour le convertisseur nécessite que 11.5% de la surface du circuit à alimenter. La méthodologie de conception du convertisseur a finalement été appliquée à un régulateur de tension dans le domaine négatif pour des applications de polarisation de caisson à basse consommation.


  • Résumé

    Mobile and multimedia devices offer more innovations and enhancements to satisfy user requirements. Chip manufacturers thus propose high performances SoC to address these needs. Unfortunately the growth in digital resources inevitably increases the power consumption while battery life-time does not rise as fast. Aggressive power management techniques such as dynamic voltage and frequency scaling have been introduced in order to keep competitive and relevant solutions. Nonetheless continuing in this direction involves more disruptive solutions to meet space and cost constraints. Fully integrated power supply is a promising solution. Switched-capacitor DC-DC converters seem to be a suitable candidate to keep compatibility with the manufacturing process of digital SoCs. This thesis focuses on the design of an embedded power supply architecture using switched-capacitor DC-DC converters.Addressing a large range of output power with significant efficiency leads to consider a multi-ratio power stage. With respect to the typical digital SoC, the input voltage is 1.8 V and the converter is specified to deliver an output voltage in the 0.3-1.2 V range. The reference voltage is varying according to typical DVFS requirements. A modular architecture accommodates the digital design flow where the flying capacitors are situated above the digital block to supply and the power switches are located as an external ring. Such an architecture offers high flexibility. Interleaving strategy is considered to mitigate the output voltage ripple. Such a converter admits the switching frequency as a control variable and linear regulation and hysteretic control are analyzed. A prototype has been fabricated in 28nm FDSOI technology by STMicroelectronics. A power density of 310 mW/mm2 is achieved at 72.5% peak efficiency with a silicon area penalty of 11.5% of the digital block area. The successful design methodology has been also applied to the design of a negative SC converter for body-biasing purpose in FDSOI. Simulation results demonstrate a strong interest for low power application.


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