Administración de energía en sistemas empaquetados o multi-chip

Abstract

En los últimos años dispositivos móviles y sistemas de cómputo han logrado disminuir sus tamaños y aumentar su funcionalidad sin sacrificar sus consumos energéticos a través de buenas estrategias de administración de energía. En esta tesis se aborda la implementación de convertidores de potencia para administración de energía. Dos líneas de investigación serán abordadas; la primera a nivel de sistemas empaquetados (system in a package) y la segunda en sistemas en circuitos integrados (system on chip). En la primera parte se presenta un análisis de la técnica de desvío de ondulación (ripple steering) aplicada a tecnologías de cerámicas de baja temperatura de sinterizado (low temperature co-fired ceramics, LTCC) magnético y se analiza la factibilidad de usarla en filtros de potencia. Luego se determina la zona de trabajo en la que el filtro con ripple steering presenta mayor atenuación que un filtro LC de 2do orden con el mismo volumen. Para esto se modela el comportamiento del filtro dependiendo de diferentes parámetros de fabricación y se propone una figura de mérito que evalúa la mejora en la atenuación entre el fltro con ripple steering y el filtro clásico LC de 2do orden con el mismo volumen. Para validar el modelo propuesto y la figura de mérito se construyen inductores acoplados en LTCC que son utilizados en un filtro de potencia. Los resultados experimentales muestran que el filtro con ripple steering se desempeña mejor, con una atenuación 66% más alta que el filtro clásico LC de 2do orden. Ambos filtros son luego utilizados como filtros de salida de un convertidor reductor (buck) y se comprueba que la ondulación de salida (ripple) también es 66% menor para el filtro con ripple steering. En la segunda parte de la tesis se aborda el caso de estudio de un convertidor de múltiples salidas utilizando una única inductancia (single inductor multiple outputs, SIMO) completamente integrado, orientado a la administración de energía dentro de la misma pastilla de silicio (die) de un sistema en circuito integrado. El convertidor posee dos salidas, una reductora (buck) y otra elevadora (boost) de tensión. Para llevar a cabo la implementación se elije una tecnología CMOS de 65 nm, ampliamente utilizada en sistemas en circuitos integrados. Se propone y desarrolla una estrategia de control por histéresis, los módulos y circuitos necesarios para su implementación. Comparadores de alta velocidad, transductores de corriente instantánea y media y los sensores de corriente cero por la inductancia son desarrollados junto con una máquina de estados asincrónica que ofrece las mejores características para el control del sistema. El convertidor desarrollado genera tensiones de 1.2 V y 0.8 V a partir de una tensión de 1 V. Las salidas poseen una regulación del 10% en la condición de máxima carga que es de 50 mA. El convertidor logra un pico de eficiencia mayor al 70 %, que es comparable a la eficiencia reportada en trabajos previos y superior a la que se puede obtener con reguladores lineales.

In recent years, mobile devices and computer systems have reduced their size and increased functionality without increasing their energy consumption through good energy management strategies. In this thesis the implementation of power converters is discussed for power management. Two lines of research will be addressed; the first in system in a package and the second in system on chip. In the first part, an analysis of the ripple steering technique applied to magnetic low temperature co-fired ceramics (LTCC) and the feasibility to be applied to power filters are presented. The working zone where the filter with ripple steering shows a greater attenuation than a LC filter of 2nd order with the same volume is determined. With this purpose, the filter behavior is modeled depending on various manufacturing parameters and a figure of merit which evaluates the improvement in attenuation between the filter with ripple steering and classical LC filter 2nd order with the same volume is proposed. To validate the proposed model and the figure of merit LTCC coupled inductors which are used in a power filter are constructed. Experimental results show that the filter with ripple steering performs better than the classic LC filter 2nd order with an attenuation 66% higher. Both filters are then used as output filters of a buck converter and it can be checked that the output ripple is 66% lower for the filter with ripple steering. In the second part of the thesis the case study of a converter with multiple outputs using a single inductor (SIMO) fully integrated, oriented power management within the same die of a system integrated circuit. The inverter has two outputs, a buck-like and a boost-like. To carry out the implementation, 65 nm CMOS technology is chosen since it is widely used in system on a chip. A hysteretic control strategy is proposed and developed; modules and circuits necessary for its implementation are also carried on. High speed comparators, instantaneous, average and zero inductor current transducers and sensors are developed together with an asynchronous state machine which offers the best features for control the system. The developed converter generates output voltages of 1.2 V and 0.8 V from a input voltage of 1 V. The outputs have a regulation of 10% at maximum load condition (50 mA). The converter achieves a peak eficiency of 70 %, which is better than the expected eficiency of a linear regulator and it is comparable with the fully integrated power converter eficiency previously reported in the literature.