Analysis and design of a high efficiency monolithic Resonant Switched-Capacitor Converter for low power application

After an analysis of different types of DC-DC converters widely used today, which focuses on their limits, an innovative converter type is introduced. This thesis will primarily focus on the theoretical study of a new type of DC-DC converter, the Resonant Switched-Capacitor Converter (ReSCC), that uses a LC series to obtain resonance, and on its control methods derived from the international scientific literature. The circuit design and implementation is a fundamental part of this thesis work. The converter is a monolithic solution and the technology evaluated for the integration is BCD 40 nm. The simulation results proved the reliability of the theoretical considerations, but also showed their limits due to non-idealities. The ultimate challenge is to obtain a highly efficient integrated converter. To overcome some problems related to efficiency, innovative solutions for driving and control have been proposed and validated through simulations. In general, the minimization of the internal power dissipation is a key-factor for all types of converters, especially those that are battery powered and used in low power application. The ability to maintain good efficiency at low power, while taking advantage of both power and die area savings in the highest level of integration, makes it an excellent candidate for IoT applications implemented with a single System on a Chip (SoC). This study has provided the opportunity to better analyse the resonant converter topology and the potential it can offer, leaving room for future developments.

Analisi e progettazione di un convertitore monolitico a capacità commutate risonante ad alta efficienza per applicazioni a bassa potenza. Dopo un'analisi dei diversi tipi di convertitori DC-DC oggi ampiamente utilizzati, concentrata sui limiti di questi, viene preso in considerazione un tipo di convertitore innovativo. Questa tesi si concentra principalmente sullo studio teorico di un nuovo tipo di convertitore DC-DC, il Resonant Switched-Capacitor Converter (ReSCC) che utilizza un LC in serie per ottenere risonanza, e dei suoi metodi di controllo estratti dalla letteratura scientifica internazionale. La progettazione e l'implementazione del circuito è una parte fondamentale di questo lavoro di tesi. Il convertitore è una soluzione monolitica e la tecnologia valutata per l'integrazione è la BCD 40 nm. I risultati della simulazione hanno dimostrato l'attendibilità delle considerazioni teoriche, ma hanno anche mostrato i limiti di queste dovuti a non idealità. La sfida finale è ottenere un convertitore integrato altamente efficiente. Per superare alcuni problemi legati all'efficienza, sono state proposte e validate attraverso simulazioni soluzioni innovative per il pilotaggio e il controllo. In generale, la minimizzazione della dissipazione interna di potenza è un fattore chiave per tutti i tipi di convertitori, specialmente quelli alimentati a batteria e utilizzati in applicazioni a bassa potenza. La capacità di mantenere una buona efficienza a bassa potenza, sfruttando sia il risparmio di potenza che di area nel più alto livello di integrazione, lo rende un ottimo candidato per applicazioni IoT implementate in un singolo System on a Chip (SoC). Questo studio ha fornito l'opportunità di analizzare meglio la topologia del convertitore risonante e le potenzialità che può offrire, lasciando spazio a sviluppi futuri.