Integrated Load Current Sensor for High Frequency Buck Switching Converter

The aim of this thesis, developed in collaboration with STMicroelectronics, is to develop a current sense circuit able to operate together with a switching buck converter with high input voltage and high frequency of operation. Power conversion efficiency is a key parameter in DC-DC switching converters, which boast very small power losses compared to their counterpart, linear regulators. Nowadays, where many of the devices in everyday’s life require a battery to work, it is very important to maintain the efficiency as high as possible, in order to maximise the battery duration and minimise the heating produced. For these reasons, when dealing with the efficiency topic every single percentage point matters, so it is mandatory to optimise it around every possible working condition. An in-depth analysis on the different contributions to power losses in buck converters will allow to discover a direct relation between the efficiency and the current sinked by the load, and will also allow to determine which parameters of the converter can be modified in order to reduce the power conversion losses to the minimum. In order to achieve this target, proper circuitry with the ability to track the behaviour of the load current will be required. In this work, actual state-of-the-art topologies for current sensing will be analysed, and it will be proved that none of these solutions are suitable for the required operating conditions of this buck converter. Finally, an alternative topology able to overcome the encountered limit is proposed and analysed. All the circuits described in this work were simulated using components developed in BCD9S, a technology with a 0.11μm footprint developed by STMicroelectronics, that was recently awarded by the prestigious IEEE as a milestone in humanity’s technological progress.

Sensore Integrato di Corrente di Carico per Convertitore Buck ad Alta Frequenza di Switching. Lo scopo di questa tesi, sviluppata in collaborazione con STMicroelectronics, è quello di sviluppare un sensore di corrente in grado di percepire le variazioni all’interno di un convertitore buck con alta tensione di ingresso e alta frequenza di commutazione. L’efficienza di conversione energetica è un parametro chiave nei convertitori DC-DC switching, i quali vantano perdite di potenza molto più piccole rispetto all’altra grande categoria di convertitori, i regolatori lineari. Al giorno d’oggi, dove molti dispositivi di uso comune necessitano di una batteria, è molto importante mantenere l’efficienza di conversione il più alta possibile, al fine di massimizzare la durata della batteria e di evitare il più possibile un surriscaldamento del dispositivo. Per questi motivi, quando si parla di efficienza ogni punto percentuale è importante, ed è quindi necessario ottimizzare questo parametro al fine di garantire il miglior risultato possibile in ogni possibile punto operativo del dispositivo. Attraverso un’analisi dettagliata dei vari contributi che generano perdite di potenza nel convertitore buck, sarà possibile trovare un diretto collegamento tra l’efficienza e la corrente richiesta dal carico, e determinare quali parametri del convertitore possono essere modificati al fine di ridurre al minimo le perdite di conversione di potenza. Per ottenere questo risultato, sarà necessario implementare un circuito dedicato al tracciamento della corrente di carico. In questo testo saranno analizzati i circuiti appartenenti allo stato dell’arte attuale, e sarà possibile dimostrare come nessuno di questi metodi tradizionali sia in grado di seguire correttamente un convertitore con le specifiche considerate. Per concludere, verrà proposta ed analizzata una struttura alternativa in grado di superare i limiti trovati. Tutti i circuiti affrontati nel corso di questo lavoro sono stati studiati con componenti realizzati in BCD9S, tecnologia da 0.11μm sviluppata da STMicroelectronics, recentemente riconosciuta da IEEE come pietra miliare nel progresso tecnologico dell’umanità.