Conception et intégration d'un convertisseur buck en technologie 28 nm CMOS orientée plateformes mobiles

Design and Integration of a buck converter in 28 nm CMOS technology for mobile platforms

• Auteur / Autrice : Kotchikpa Arnaud Toni
• Direction : Nacer Abouchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 10/07/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Catherine Bru-Chevallier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nacer Abouchi, Catherine Bru-Chevallier, Richard Grisel, Luc Hébrard, Rémy Cellier, Christophe Prémont
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Richard Grisel, Luc Hébrard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Microélectronique

Convertisseur de puissance

Microprocesseur MOS

Régulateur de tension

Réseau de distribution

Processeur multicoeur

Plateforme portable

Densité d'énergie

Microelectronics

Power Converter

MOS - Metal Oxide SemiConductor - Microprocessor

Voltage regulator

Distribution network

Multicore processor

Portable platform

Density of energy

Résumé

Ce travail de thèse présente la conception d’un convertisseur Buck 3 états pour améliorer le comportement dynamique des tensions d’alimentations des microprocesseurs. La topologie du convertisseur est dans un premier temps, implémentée en technologie IBM CMOS 180 nm pour la validation de la structure 3 états. Le prototype réalisé utilise une tension d’entrée de 3.6V et génère une tension de sortie de 0.8V à 2V. Sa réponse aux transitoires de charge ne montre que 1 à 2% de surtension prouvant ainsi l’avantage du régulateur en dynamique. Le convertisseur 3 états est dans un deuxième temps intégré en technologie 28 nm CMOS HPM (cette technologie est essentiellement utilisée pour les microprocesseurs). Les résultats des tests effectués sur le prototype réalisé confirment les performances en économie d’énergie, de surface et de réponse dynamique. Ce prototype délivre en effet 0.5 à 1.2V en sortie pour 1.8V en entrée et présente un rendement maximal de 90%. Les mesures de régulation dynamique montrent qu’il permet d’obtenir moins de 5% de bruit sur le processeur et 10 mV/ns de commutation de tensio

This thesis work consists into the design of a 3 states buck converter targeting the improvement of dynamic regulation of microprocessors supplies. The topology of the converter is, at first, implemented in IBMCMOS 180 nm technology to validate the transient performances of the3 states regulator. The prototype in 180 nm, uses an input voltage of 3.6V and outputs a voltage in the range of 0.8V to 2V. Its response to load transients shows about 1% of undershoot and 2 % of overshoot, proving a good dynamic behavior for a simple structure compared to state of the art.The 3 states converter is then integrated in 28 nm CMOS HPM (technologymostly used for microprocessors desgn). The experimental results on the prototype confirm the performances in terms of energy and area savings, aswell as dynamic response. The chip delivers 0.5V to 1.2V from a 1.8V supply,and shows a 90% peak efficiency. The measurements of dynamic regulation show less than 5% of noise on the processor supply and 10 mV/ns outputvoltage switching for DVFS purpose.