Design and implementation of high frequency 3D DC-DC converter

par Florian Neveu

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Bruno Allard.

Le président du jury était Yves Lembeye.

Le jury était composé de Bruno Allard, Yves Lembeye, Aleksander Prodic, Bernhard Wicht, José Cobos, Marc Cousineau, Christian Martin, Cian O'mathuna.

Les rapporteurs étaient Aleksander Prodic, Bernhard Wicht.

  • Titre traduit

    Conception et implémentation d'un convertisseur 3D DC-DC à haute fréquence


  • Résumé

    L’intégration ultime de convertisseurs à découpage repose sur deux axes de recherche. Le premier axe est de développer les convertisseurs à capacités commutées. Cette approche est compatible avec une intégration totale sur silicium, mais limitée en terme de densité de puissance. Le second axe est l’utilisation de convertisseurs à inductances, qui pâtissent d’imposants composants passifs. Une augmentation de la fréquence permet de réduire les valeurs des composants passifs. Cependant une augmentation de la fréquence implique une augmentation des pertes par commutation, ce qui est contrebalancé par l’utilisation d’une technologie de fabrication plus avancée. Ces technologies plus avancées souffrent quant à elles de limitations au niveau de leur tension d’utilisation. Convertir une tension de 3,3V vers une tension de 1,2V apparait donc comme un objectif ambitieux, particulièrement dans le cas où les objectifs de taille minimale et de rendement supérieur à 90 % sont visés. Un assemblage 3D des composants actifs et passifs permet de minimiser la surface du système. Un fonctionnement à haute fréquence est aussi considéré, ce qui permet de réduire les valeurs requises pour les composants passifs. Dans le contexte de l’alimentation « on-chip », la technologie silicium est contrainte par les fonctions numériques. Une technologie 40 nm CMOS de type « bulk » est choisie comme cas d’étude pour une tension d’entrée de 3,3 V. Les transistors 3,3 V présentent une figure de mérite médiocre, les transistors 1,2 V sont donc choisis. Ce choix permet en outre de présenter une meilleure compatibilité avec une future intégration sur puce. Une structure cascode utilisant trois transistors en série est étudiée est confrontée à une structure standard à travers des simulations et mesures. Une fréquence de +100MHz est choisie. Une technologie de capacités en tranchées est sélectionnée, et fabriquée sur une puce séparée qui servira d’interposeur et recevra la puce active et les inductances. Les inductances doivent être aussi fabriquées de manière intégrée afin de limiter leur impact sur la surface du convertisseur. Ce travail fournit un objet contenant un convertisseur de type Buck à une phase, avec la puce active retournée (« flip-chip ») sur l’interposeur capacitif, sur lequel une inductance est rapportée. Le démonstrateur une phase est compatible pour une démonstration à phases couplées. Les configurations standard et cascode sont comparées expérimentalement aux fréquences de 100 MHz et 200 MHz. La conception de la puce active est l’élément central de ce travail, l’interposeur capacitif étant fabriqué par IPDiA et les inductances par Tyndall National Institute. L’assemblage des différents sous-éléments est réalisé via des procédés industriels. Un important ensemble de mesures ont été réalisées, montrant les performances du convertisseur DC-DC délivré, ainsi que ses limitations. Un rendement pic de 91,5 % à la fréquence de 100 MHz a été démontré.


  • Résumé

    Ultimate integration of power switch-mode converter relies on two research paths. One path experiments the development of switched-capacitor converters. This approach fits silicon integration but is still limited in term of power density. Inductive DC-DC architectures of converters suffer by the values and size of passive components. This limitation is addressed with an increase in frequency. Increase in switching losses in switches leads to consider advanced technological nodes. Consequently, the capability with respect to input voltage is then limited. Handling 3.3 V input voltage to deliver an output voltage in the range 0.6 V to 1.2 V appears a challenging specification for an inductive buck converter if the smallest footprint is targeted at +90 % efficiency. Smallest footprint is approached through a 3D assembly of passive components to the active silicon die. High switching frequency is also considered to shrink the values of passive components as much as possible. In the context of on-chip power supply, the silicon technology is dictated by the digital functions. Complementary Metal-Oxide- Semiconductor (CMOS) bulk C40 is selected as a study case for 3.3 V input voltage. 3.3 V Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) features poor figure of merits and 1.2 V standard core, regular devices are preferred. Moreover future integration as an on-chip power supply is more compatible. A three-MOSFET cascode arrangement is experimented and confronted experimentally to a standard buck arrangement in the same technology. The coupled-phase architecture enables to reduce the switching frequency to half the operating frequency of the passive devices. +100MHz is selected for operation of passive devices. CMOS bulk C40 offers Metal-Oxide-Metal (MOM) and MOS capacitors, in density too low to address the decoupling requirements. Capacitors have to be added externally to the silicon die but in a tight combination. Trench-cap technology is selected and capacitors are fabricated on a separate die that will act as an interposer to receive the silicon die as well as the inductors. The work delivers an object containing a one-phase buck converter with the silicon die flip-chipped on a capacitor interposer where a tiny inductor die is reported. The one-phase demonstrator is suitable for coupled-phase demonstration. Standard and cascode configurations are experimentally compared at 100 MHz and 200 MHz switching frequency. A design methodology is presented to cover a system-to-device approach. The active silicon die is the central design part as the capacitive interposer is fabricated by IPDiA and inductors are provided by Tyndall National Institute. The assembly of the converter sub-parts is achieved using an industrial process. The work details a large set of measurements to show the performances of the delivered DC/DC converters as well as its limitations. A 91.5% peak efficiency at 100MHz switching frequency has been demonstrated.


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