Design of MEMS based DC/DC converters
Conception de convertisseurs DC/DC à base de MEMS
Résumé
Current trends towards miniaturization of electronic circuits had led to the advent of System on Chip containing different types of circuits indented to perform different functions. These sub-systems require different supply voltages that are delivered from the SoC supply voltage using several DC/DC converters. Currently, most of the electronic circuits of portable applications use conventional SMPS (switch mode power supply) DC/DC converters containing an inductor element to stock the electrical energy. In this case the converter is outside the chip since the integration of the inductor is very difficult and that resistive losses increase when the coil diameter decreases. The alternative to use switched capacitor converters, that can be easily integrated on silicon, presents some limitations because of the dependence of the required number of capacitors on the conversion ratio, and because of switching losses due to the charge and the discharge of the capacitors that decrease the conversion efficiency. For that reason, it is interesting to develop a new alternative that allows the fabrication of a compact and high performance DC/DC converter in order to obtain a completely integrated system. This thesis treats a novel solution based on electrostatic MEMS in order to make an integrated DC/DC converter with high efficiency. A mechanically variable capacitor is used instead of the inductor element to store the electrical energy. The variable capacitor is fabricated by MEMS micromachining process techniques compatible with CMOS process integration. In this work, we explain the principle and the operation of a step down and a step-up converter using our novel approach through an energetic analysis, we design a MEMS device optimized with respect to the voltage conversion application, and we present our converter control method using a zero voltage switching technique. An efficiency of almost 82% was obtained by simulation of a 10V-20V converter, when the power management circuitry was considered with discrete elements; this efficiency is promising and could be ameliorated when the whole system is integrated on silicon.
La tendance actuelle vers la miniaturisation des circuits électroniques a poussé vers le développement des systèmes sur puce SoC contenant plusieurs composants. Ces composants réalisant des fonctions variées, ont besoin des différentes tensions d'alimentation fournies à l'aide de plusieurs convertisseurs DC/DC à partir de la tension d'alimentation du SoC. Actuellement, la plupart des circuits électroniques dans les applications portables contiennent des convertisseurs DC/DC conventionnels utilisant une inductance pour stocker l'énergie électrique. L'inductance étant difficilement intégrable, ces convertisseurs sont connectés à l'extérieur de la puce. Une alternative aux convertisseurs conventionnels est les convertisseurs à capacités commutés, qui ont l'avantage d'être facilement intégrable sur silicium, mais qui présentent des limitations à cause de la dépendance entre le facteur de conversion et le nombre de condensateurs, et les pertes dues à la charge et à la décharge des condensateurs qui font diminuer le rendement. Il est donc intéressant de trouver une nouvelle alternative pour concevoir un convertisseur DC/DC compact et performant afin d'obtenir un circuit électronique complètement intégrable sur silicium. Le sujet de cette thèse répond au besoin d'une nouvelle méthode de conversion DC/DC intégrable sur silicium et à haut rendement. L'idée est d'utiliser une capacité variable mécaniquement à la place d'une inductance pour stocker l'énergie électrique transitoire. Le condensateur variable sera fabriqué par des procédés de fabrication de microsystème MEMS sur silicium ce qui permet d'intégrer la totalité du convertisseur. Dans ce mémoire, nous expliquons le principe et le fonctionnement d'un abaisseur et d'un élévateur de tension utilisant notre nouvelle approche, nous présentons la conception et la fabrication d'un MEMS adapté à la conversion de tension, et nous expliquons notre méthode de contrôle utilisant une commutation à zéro de tension. Le rendement d'un élévateur 10V-20V obtenu par simulation est de l'ordre de 82% lorsque la gestion électrique est réalisée avec des composants discrets. Ce rendement semble promettant d'être amélioré lorsque tout le système sera intégré sur silicium.