Bidirectional DC voltage conversion for low power applications

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Lorentz, Vincent:
Bidirectional DC voltage conversion for low power applications.
Erlangen : Lambert Academic Publishing , 2010 . - 212 S.
ISBN 978-3-8383-4159-0
( Dissertation, 2008 , Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU); Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB)

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Abstract

Battery-powered mobile equipment is an important pillar of the electronic consumer market, especially since cellular phones and digital cameras have been introduced. However, all these mobile equipment have the same major weakness: their battery provides a limited operating time, which can only be increased in two ways. First, the energy density of the battery can be increased by developing new battery chemistries. Second, the battery energy can be used more efficiently by improving the energy management. This thesis focuses on the latter, and especially on the voltage conversion, which is used in mobile equipment. The novel concept exposed in this thesis consists in combining the voltage conversion unit with the battery management unit, thus building an intelligent power converter (IPC), that is integrated into the battery. This intelligent battery is able to provide a regulated and adjustable voltage directly to the mobile equipment, thus making it adaptable to every mobile equipment. Because the battery must also be recharged, the IPC must allow a bidirectional energy flow.

The IPC has been designed, simulated, laid-out and manufactured in a 0.18 μm mixed-signal CMOS technology from UMC. A full-custom design-flow using Cadence software was elaborated. In addition to the models provided by UMC, Monte-Carlo models were developed for simulating the impact of fabrication process variations. For the power part, electromigration design rule checks have been developed to ensure that metal overstress due to high current flows is avoided. The characteristics of the IPC are an operating voltage range between 1.2 V-3.6 V, an average load current up to 2000 mA, and an operating frequency in the range of 100 kHz-10 MHz.

Several novel solutions were developed for the IPC. First, since the direction of the energy flow is defined by the presence of a battery charger, a method was developed for detecting automatically the connection of a battery charger in parallel to the load. Second, a continuous regulation loop was developed, which enables highly efficient step-up and step-down conversion in both directions and at high switching frequencies. Third, dynamic MOSFET sizing was developed, to maximize the conversion efficiency when a light load is supplied. At switching frequencies above 1 MHz, this method provides more than 25% of absolute improvement in efficiency. Fourth, a current sensing method has been developed for estimating the average inductor current at switching frequencies up to 10 MHz. Fifth, an I2C interface was implemented, to enable digital programming of the battery management.

Since the intelligent battery contains a battery management and provides an adjustable voltage, it can be easily replaced. This enables battery upgrading (e.g., different chemistry, higher energy density), so that the operating time of the mobile equipment is extended. The integration of electronics provides protection functions against shortcuts, overcharging, or also counterfeit.

Abstract in weiterer Sprache

Batteriebetriebene Mobilgeräte sind ein wichtiger Tragpfeiler des heutigen Markts, besonders seit Mobiltelefone und Digitalkameras eingeführt wurden. Allerdings haben Mobilgeräte einen Nachteil: die Batterie verfügt über eine begrenzte Kapazität, die nur auf zwei Wege erweitert werden kann. Der erste Weg besteht in der Entwicklung von neuen Batteriechemien, um die Energiedichte zu erhöhen. Der zweite Weg besteht in einer effizienteren Nutzung dieser Energie durch ein intelligenteres Energiemanagement. Diese Dissertation befasst sich mit dem zweiten Ansatz, und zwar mit der Spannungswandlung, die üblicherweise in Mobilgeräten benutzt wird. Ziel des vorgestellten Konzeptes ist es, den Spannungswandler mit dem Energiemanagement zu kombinieren, um damit einen intelligenten Leistungswandler (IPC) zu realisieren, der in die Batterie integriert wird. Diese intelligente Batterie liefert eine geregelte und einstellbare Spannung. Damit ist sie in jedem Mobilgerät einsetzbar. Der IPC muss einen bidirektionalen Energiefluss erlauben, um die Batterie aufladen zu können.

Der IPC wurde entwickelt und simuliert. Ein Layout wurde erstellt und in einer 0.18 μm-Mixed-signal CMOS-Technologie von UMC gefertigt. Ein auf Cadence-Software basierender Full-custom-Designfluss wurde erstellt. Zusätzlich zu den Modellen von UMC wurden Monte-Carlo-Modelle entwickelt, um die Variationen des Herstellungsprozesses bei den Simulationen berücksichtigen zu können. Um Elektromigration zu verhindern, wurden Designregeln geschrieben, damit eine Stromüberlastung der Metallverbindungen im Leistungsteil vermieden wird. Die technischen Daten des IPCs sind ein Betriebsspannungsbereich von 1,2 V-3,6 V, ein konstanter Laststrom bis zu 2000 mA und eine Betriebsfrequenz im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz.

Mehrere neue Lösungen wurden für den IPC entwickelt. Erstens wurde eine Methode entwickelt, um ein Batterieladegerät zu erkennen, da die Richtung des Energieflusses durch die Anwesenheit dieses Ladegerät parallel zur Last bestimmt wird. Zweitens wurde eine kontinuierliche Regelungsschleife entwickelt, die es ermöglicht, bei hohen Frequenzen die gewandelte Spannung in beide Richtungen hoch- und herunterzusetzen. Drittens wurde eine dynamische Einstellung der Weite des MOSFETs entwickelt, um den Wirkungsgrad im Schwachlastbereich zu erhöhen. Bei Frequenzen über 1 MHz wurde eine absolute Wirkungsgraderhöhung von 25% erreicht. Viertens wurde für Betriebsfrequenzen bis 10 MHz eine Methode zur Abschätzung des Stromes durch die Induktivität entwickelt. Fünftens wurde eine digitale I2C-Schnittstelle implementiert, um das Konfigurieren des Energiemanagementsystems zu ermöglichen.

Da die intelligente Batterie ein Batteriemanagementsystem enthält und eine einstellbare Spannung ausgibt, kann sie einfach ausgetauscht werden. Das Upgraden von Batterien wird möglich (z.B. andere Chemie, höhere Energiedichte), so dass die Betriebsdauer erweitert wird. Die Integration der Elektronik erlaubt es, zusätzlich Schutzfunktionen gegen Kurzschlüsse, Überladung oder Fälschungen unterzubringen.