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

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.
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Theses
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Thursday, June 30, 2016 - 9:38:11 AM
Last modification on : Friday, July 3, 2020 - 10:46:08 AM
Document(s) archivé(s) le : Saturday, October 1, 2016 - 10:56:26 AM

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  • HAL Id : tel-01339832, version 1

Citation

Florian Neveu. Design and implementation of high frequency 3D DC-DC converter. Electronics. INSA de Lyon, 2015. English. ⟨NNT : 2015ISAL0133⟩. ⟨tel-01339832⟩

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