Este trabalho apresenta um conversor CC - CC baseado em Capacitores Chaveados de 6 fases e tempos intercalados com o objetivo de coletar energia fotovoltaica projetado em tecnologia CMOS de 130 nm para ser usado em aplicações em Internet das Coisas e Nós Sensores. Ele rastreia o máximo ponto de entrega de energia de um painel fotovoltaico policristalino de 3 cm x 3 cm através de modulação da frequência de chaveamento com o objetivo de carregar baterias. A razão da tensão de circuito aberto foi a estratégia de rastreio escolhida. O conversor foi projetado em uma tecnologia CMOS de 130 nm e alcança uma eficiência de 90 % para potencias de entrada maiores do que 30 mW e pode operar com tensões que vão de 1.25 até 1.8 V, resultando em saídas que vão de 2.5 até 3.6, respectivamente. Os circuitos periféricos também incluem uma proteção contra sobre tensão na saída de 3.6 V e circuitos para controle, que consomem um total máximo de potência estática de 850 A em 3.3 V de alimentação. O layout completo ocupa uma área de 300 x 700 m2 de silício. Os únicos componentes não integrados são 6x100 nF capacitores.

abstract: Complex electronic systems include multiple power domains and drastically varying dynamic power consumption patterns, requiring the use of multiple power conversion and regulation units. High frequency switching converters have been gaining prominence in the DC-DC converter market due to smaller solution size (higher power density) and higher efficiency. As the filter components become smaller in value and size, they are unfortunately also subject to higher process variations and worse degradation profiles jeopardizing stable operation of the power supply. This dissertation presents techniques to track changes in the dynamic loop characteristics of the DC-DC converters without disturbing the normal mode of operation. A digital pseudo-noise (PN) based stimulus is used to excite the DC-DC system at various circuit nodes to calculate the corresponding closed-loop impulse response. The test signal energy is spread over a wide bandwidth and the signal analysis is achieved by correlating the PN input sequence with the disturbed output generated, thereby accumulating the desired behavior over time. A mixed-signal cross-correlation circuit is used to derive on-chip impulse responses, with smaller memory and lower computational requirement in comparison to a digital correlator approach. Model reference based parametric and non-parametric techniques are discussed to analyze the impulse response results in both time and frequency domain. The proposed techniques can extract open-loop phase margin and closed-loop unity-gain frequency within 5.2% and 4.1% error, respectively, for the load current range of 30-200mA. Converter parameters such as natural frequency (ω_n ), quality factor (Q), and center frequency (ω_c ) can be estimated within 3.6%, 4.7%, and 3.8% error respectively, over load inductance of 4.7-10.3µH, and filter capacitance of 200-400nF. A 5-MHz switching frequency, 5-8.125V input voltage range, voltage-mode controlled DC-DC buck converter is designed for the proposed built-in self-test (BIST) analysis. The converter output voltage range is 3.3-5V and the supported maximum load current is 450mA. The peak efficiency of the converter is 87.93%. The proposed converter is fabricated on a 0.6µm 6-layer-metal Silicon-On-Insulator (SOI) technology with a die area of 9mm^2 . The area impact due to the system identification blocks including related I/O structures is 3.8% and they consume 530µA quiescent current during operation. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Circuits for sampling and retention of analogue signals are commonly implemented with techniques such as switched capacitors (SC). SC circuits employing the storage of charge in a linear capacitor to represent a signal in the form of voltage. Operational Amplifiers (AmpOp's) are used to transfer the load of a capacitor to another, sampling and holding circuits for analogue signals in closed loop. Recently, another technique has been developed without the need of building linear capacitors, making possible projects compatible with VLSI CMOS processes. This technique, called Switched Current (SI), is characterized by processing the signals in the current form, and implemented through the memory retention of electric charge on the gate of a MOS transistor in saturation zone. The charge is hold in a gate-source voltage and hence the current in a transistor. In this model, the excursion of the signal is not directly dependent on the supply voltage, but dependent on the polarization and current signal. This makes the model attractive for low voltage. The technique does not require AmpOp's and capacitors. The speed of the circuit is not limited by AmpOp's and its gainbandwidth product, but by design and manufacturing process. This technique is not yet consolidated and its performance is still not competitive with SC circuits [1] However, SI circuits become interesting as they constitute an open field for future research and the opportunity to be fully implemented in processes manufacturing oriented to purely digital circuits. This work begins with a framework of the subject matter, placing the reader in the state of the art manufacturing technology and some implications that directly affect analog circuits. Are also presented in this section some implementations which serve to characterize what is being done recently in terms of Sigma Delta (ΣΔ) modulators. Abstract vi In Chapter 2, are made a review of sampling and holding bases, the AD conversion techniques with focuses in oversampled AD converters, the circuits that implementing SC and SI modulators and their influences, and finally a review of the nonidealities that involve the practice of project. Chapter 3 a comparative study is done between memory cells SC and SI. Based on a simplified model of small signals, the behavior analyzes on the signal-noise-ratio (SNR), power consumption and speed, providing indications of performance throughout the operating region of MOS transistors. Chapter 4 deals with the initial specifications for the development of a ΣΔ AD converter for a specific implementation. The s tudies and estimates lead to pre-design of the project's ultimate goal the creation of a ΣΔ modulator in the SC and SI techniques. In Chapter 5 is intended to make the measures and tests that establish the standards of comparison, the discussion of results and conclusions. Finally, in Chapter 6, an alternative proposal is presented based on an architecture that performs a sigma-delta modulator with low distortion, implemented with SI circuit. The final conclusions and contributions are presented in Chapter 7. / Circuitos de amostragem e retenção de sinais analógicos são comumente implementados com técnicas de chaveamento de capacitores (Switched Capacitor SC). Circuitos SC empregam o armazenamento de cargas em um capacitor linear para representar um sinal sob a forma de tensão. Amplificadores Operacionais (AmpOp s) são usados para transferir essa carga de um capacitor a outro, amostrando e retendo sinais analógicos em circuitos de malha fechada. Recentemente, uma outra técnica tem sido desenvolvida sem a necessidade de construção de capacitores lineares, tornando possíveis projetos compatíveis com processos de fabricação VLSI CMOS. Esta técnica, chamada de Switched Current (SI), caracteriza-se por processar os sinais sob a forma de correntes, sendo a operação de memorização implementada através da retenção de carga elétrica na porta de um transistor MOS na zona de saturação. A carga retida corresponde a uma tensão portafonte e, conseqüentemente, a uma corrente no transistor. Neste modelo, a excursão do sinal não é diretamente dependente da tensão de alimentação, mas dependente das correntes de polarização e de sinal. Isso torna o modelo atrativo para baixas tensões. A técnica não requer AmpOp s e implementação física de capacitores. A velocidade do circuito não é limitada por AmpOp s e seu produto ganho-banda, mas pelo projeto e processo de fabricação. Essa técnica ainda não está consolidada e sua performance ainda não é competitiva com os circuitos SC [1], Contudo, os circuitos SI tornam-se interessantes na medida em que constituem um campo aberto para futuras pesquisas e pela possibilidade de serem completamente implementados em processos de fabricação voltados a circuitos puramente digitais. Este trabalho inicia com um enquadramento do trabalho proposto, situando o leitor no contexto do estado da arte das tecnologias de fabricação e algumas implicações diretas que afetam circuitos analógicos. São apresentadas ainda nesta seção algumas implementações que servem para caracterizar o que está sendo feito recentemente em termos de conversores tipo Sigma Delta (ΣΔ). No Capítulo 2, faz-se o embasamento sobre as técnicas utilizadas no processo de amostragem e retenção utilizadas para conversão ADΣΔ e uma revisão das não idealidades que envolvem a prática de projeto. No Capítulo 3 é feito um estudo comparativo, entre células de memória SC e SI. Baseado em modelo simplificado de pequenos sinais, analisa-se o comportamento quanto à relação-sinal-ruido (SNR), ao consumo e à velocidade, fornecendo indicações de desempenho em toda região de funcionamento dos transistores MOS. No Capitulo 4 são abordadas as especificações iniciais ao desenvolvimento de um conversor ΣΔ para uma implementação específica. Os estudos e estimativas que conduzem a pré-concepção do projeto têm como objetivo final a geração de um modulador ΣΔ nas técnicas SC e SI. Nos Capítulos 5 efetuam-se as medidas e testes que estabelecem os padrões de comparação, a discussão dos resultados e conclusões. Por fim, no Capítulo 6, uma proposta alternativa é apresentada com base em uma arquitetura de modulador sigma-delta de baixa distorção, implementada em circuito SI. As conclusões e contribuições finais são apresentadas no capítulo 7.

Este trabalho apresenta um conversor CC - CC baseado em Capacitores Chaveados de 6 fases e tempos intercalados com o objetivo de coletar energia fotovoltaica projetado em tecnologia CMOS de 130 nm para ser usado em aplicações em Internet das Coisas e Nós Sensores. Ele rastreia o máximo ponto de entrega de energia de um painel fotovoltaico policristalino de 3 cm x 3 cm através de modulação da frequência de chaveamento com o objetivo de carregar baterias. A razão da tensão de circuito aberto foi a estratégia de rastreio escolhida. O conversor foi projetado em uma tecnologia CMOS de 130 nm e alcança uma eficiência de 90 % para potencias de entrada maiores do que 30 mW e pode operar com tensões que vão de 1.25 até 1.8 V, resultando em saídas que vão de 2.5 até 3.6, respectivamente. Os circuitos periféricos também incluem uma proteção contra sobre tensão na saída de 3.6 V e circuitos para controle, que consomem um total máximo de potência estática de 850 A em 3.3 V de alimentação. O layout completo ocupa uma área de 300 x 700 m2 de silício. Os únicos componentes não integrados são 6x100 nF capacitores.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe um conversor com capacitor chaveado para o acionamento de LEDS (Light Emitting Diodes) de potÃncia. Em contraste com circuitos de acionamento convencionais de corrente contÃnua, o pulso de corrente direcionado para os LEDs, à limitado pela potÃncia armazenada no capacitor chaveado. Neste circuito, o capacitor à carregado e descarregado atravÃs do circuito de saÃda e a direÃÃo do fluxo de corrente à controlada pelos interruptores. Baseado na anÃlise do controle de carga, os efeitos do comutaÃÃo no conversor proposto sÃo discriminados e avaliados. Os resultados experimentais demonstram a viabilidade tÃcnica de utilizar o conversor proposto para LEDs. / This paper proposes a switched-capacitor converter to drive power light emitting diodes (LEDs). In contrast to conventional constant dc current drivers, the current pulse is provided by this switched-capacitor LED driver. In the present driver, the capacitor is charged and discharged through of the output circuit and the current flow direction is controlled by switch. Based on the charge control analysis, the effects of switching devices on the proposed converter are discriminated and evaluated. The experimental results demonstrated the technical feasibility of using the proposed converter for LEDs.

Switched-capacitor (SC) DC-DC converters provide a viable solution for on-chip DC-DC conversion as all the components required are available in most processes. However, power efficiency, power density characteristics of SC converters are adversely affected by the integration, and characteristics such as response time and noise can be further improved with an on-chip converter. An analysis on speed, power efficiency, and noise performance of SC converters is presented and verified using simulations. Based on the analysis two techniques, converter-gating and adaptive gain control, are developed. Converter-gating uses a combination of smaller stages and reconfiguration during transient load steps to improve the power efficiency and transient response speed. The stages of the converter are also distributed across the die to reduce the voltage drop and noise on power supply. Adaptive gain control improves transient response through manipulation of the gain of the integrator in the control loop. This technique focuses on improving the response time during converter reconfiguration and offers a general solution to transient response improvement instead of focusing on the worst case scenario which is usually the largest transient load step. The techniques developed are then implemented in ST 28nm FDSOI process and test methodologies are discussed.

This project deals with the computer analysis of circuits with external switching. At the first of all there is a description of the creation of the entry of the program CIRNAM – description of the circuit, modified netlist. The work also discusses the theory used for solutions of analysed circuits. In the other part there is a description of the program CIRNAM in full details. In the next parts of this project there is the illustration of work in the program, which is shown on the examples with short discussion of output options – he rendering of the frequency characteristics in the program CIRNAM or the export of calculated data to MATLAB. There are also described the source code of CIRNAM for the initial orientation of the programmer, which would extend the possibilities of this program.

Thyristor switched capacitors (TSCs) have found an ever increasing role in the operation of flexible AC transmission systems or FACTS. The ability of these static var compensators to regulate the voltage by consuming or supplying reactive power quickly is not only viable for transmission but is an effective measure for increasing power quality at a distribution level. The proposed design uses a variable number of logically switched capacitors to supply reactive generation per reactive demand. The design ensures that the capacitors are safely switched into service, reactive demand is accurately calculated, and the TSC will respond quickly to changes in demand. While providing fast and safe operation, the conceptual design is also flexible enough to allow for optimization of the TSC to meet the demands of specific loads.

No description available.

No description available.