Design of an ultra-low-voltage dickson converter based on an lc oscillator

Abstract

O presente trabalho de dissertação apresenta a análise e o projeto de conversores DC/DC Dickson operando a partir de ultrabaixa tensão, aplicados para colheita de energia. Os conversores aqui descritos, quando operam em muito baixa tensão, são normalmente utilizados como blocos de inicialização, mas podem também ser utilizados para alimentar diretamente a carga, em aplicações em que a eficiência não seja o principal requisito. Primeiramente, a operação do conversor Dickson como bomba de carga é descrita para aplicações de ultrabaixa tensão. Expressões para a tensão de saída, eficiência na conversão de energia e resistência de entrada em termos dos parâmetros físicos do diodo, da corrente de saída e do número de estágios são derivadas. A operação em ultrabaixa tensão, viabilizada pelo uso de osciladores em anel indutivos e transistores do tipo Zero-VT, é demonstrada em dois protótipos fabricados em tecnologias CMOS de 180 nm e 130 nm. Os dois conversores são totalmente integrados, tendo apresentado funcionamento a partir de 85 mV de tensão de entrada. Para tensões DC de entrada de aproximadamente 120 mV e 150 mV os conversores entregam 1 µW na saída.

Abstract: This thesis presents the analysis and design of Dickson charge pump converters operating from low-voltage supply, for energy harvesting applications. The DC/DC converters described herein, when operating at very low voltage, are commonly used as startup blocks, but can also be used to directly supply the load in applications in which efficiency is not of major concern. Firstly, the operation of the Dickson charge pump for ultra-low voltage is described. Expressions for the output voltage, power conversion efficiency and input resistance in terms of the diode physical parameters, the output current, and the number of stages are derived. The lowvoltage operation, made feasible through the use of inductive ring oscillators and zero-VT transistors, is demonstrated via two prototypes fabricated in 180 nm and 130 nm CMOS technologies. Both converters are fully integrated and started up from around 85 mV of input voltage. For input voltages of around 120 mV and 150 mV the two converters deliver 1 µW to the load.