Design and simulation of an ultra low-voltage low-power stepdown DC/DC converter in CMOS-65nm

This work describes a step-down DC/DC converter sized and simulated in a CMOS-65nm process. From a 0.7V primary source obtained by energy-harvesting the circuit is able to deliver a regulated voltage supply of 0.5V. This circuit is employed to supply a complete RF system. Since the target application demands very low current consumption, the Pulse-Frequency Modulation switching technique (PFM) is used. This makes possible to increase the total efficiency of the converter and, consequently, to extend the lifetime of such RF system. Along with the presented step-down converter, an overview of the Buck converter is given. Specifically details on the basics equations, principles of how it works and the different ways of operating the converter through the PWM or PFM modulations. In this work each block of the circuit is thought and designed taking into account the power consumption as a main constraint. Different test bench are shown for the different blocks and their simulations. For this ultra low power application, we were able to achieve an efficiency of 65% starting from a 0.7V source and using a PFM feedback control to obtain a stable output voltage of 0.5V

In questo lavoro di tesi viene presentato un convertitore di Potenza DC/DC di tipo step-down. Il suo dimensionamento e le varie simulazioni sono state implementate nel processo tecnologico CMOS-65nm. Partendo dalla tensione di 0.7V da una sorgente primaria ottenuta con tecniche di energy-harvesting, il circuito riesce a fornire in uscita una tensione regolata di 0.5V. Questo circuito è utilizzato per rifornire un completo sistema RF. La modulazione di tipo PFM viene utilizzata in tale circuito poichè l’applicazione specifica richiede l’uso di potenze molto basse; ciò rende possibile una più alta efficienza totale del circuito e di conseguenza una maggiore durata della batteria del sistema RF. Insieme al circuito specifico step-down, in questo lavoro di tesi viene presentata una panoramica sul Buck converter; nello specifico vengono introdotte le equazioni base, il principio di funzionamento e i due modi di modulazione: PWM e PFM. In questa tesi ciascun blocco circuitale è stato pensato e implementato considerando come specifica fondamentale il basso consume di Potenza. Per ciascun blocco vengono presentati I diversi testbench e le relative simulazioni ottenute tramite software. Per questa applicazione ultra low power si è riusciti ad ottenere un’efficienza pari a 65% partendo da una tensione di sorgente di 0.7V e generando un’uscita di 0.5V molto stabile, tramite la modulazione PFM.