Progetto di un circuito charge-pump voltage splitter ad alta efficienza per applicazioni hard disk mobile

The interest in devices with low power consumption grew over the years. Taking as example the hard disk mobile devices: the device internal blocks use the energy stored in the rotating motor when the external power supply lowers compared to its nominal value (5V); in these cases, the presence of blocks with low impact in power delivery improve the system efficiency and reduce the use of motor energy, reducing the risk to compromise the device blocks correct work. This thesis work has been realized in ST Microelectronics – AMG Data Storage Computer Division-. The aim of this project is to reduce the power dissipation mainly due to a linear regulator present in a hard disk mobile device. The LDO is able to generate a voltage of 1,8V from the power supply of 5V. The large difference between the input and output voltage of the regulator block is the cause of high power dissipation in the device. This thesis work consists in the design of a high efficiency charge pump voltage splitter connected between the power supply and the input of the linear regulator. The charge pump converter designed is able to halve the power supply voltage: its output voltage becomes the new input voltage of the LDO block. In this way the power losses will be halved and consequently the device efficiency doubled. The most important specifications the charge pump voltage splitter must respect are: a low output voltage drop, in order to ensure that the downstream linear regulator could correctly work even if the power supply lowers till 4V; a high conversion efficiency in order to take advantage in the use of this new block. In this thesis work, a square wave voltage generator has been designed, in order to define the clock frequency of the charge pump voltage splitter circuit.

Nel corso degli anni è diventato sempre maggiore l’interesse verso dispositivi che abbiano consumi di potenza molto contenuti. In particolare, si considerino i dispositivi hard disk di tipo mobile: in essi viene sfruttata l’energia del motore in rotazione ogni qual volta la tensione di alimentazione esterna si abbassa sensibilmente rispetto al suo valore nominale (5V); in questi casi, la presenza di blocchi che presentino un basso impatto in termini di potenza dissipata si traduce in un aumento dell’efficienza complessiva del sistema e nella possibilità di ridurre l’energia estratta dal motore per non compromettere il corretto funzionamento degli altri blocchi presenti nel dispositivo. Questo progetto di tesi, sviluppato presso ST Microelectronics - Divisione AMG Data Storage Computer - si inserisce all’interno di un dispositivo "hard disk mobile" e mira alla riduzione dei consumi di potenza causati principalmente da un regolatore LDO interno al dispositivo, in grado di generare una tensione di 1,8V a partire dall’alimentazione di 5V. Questo lavoro di tesi consiste nella progettazione di un circuito "charge-pump voltage splitter" ad alta efficienza di conversione da inserire tra la tensione di alimentazione e l’ingresso del blocco regolatore lineare. Il circuito progettato permetterà di ottenere una tensione in ingresso al regolatore lineare che sia metà di quella proveniente dall’alimentazione, dimezzando il consumo di potenza complessivo e raddoppiando di conseguenza l’efficienza del dispositivo. Le specifiche che il circuito charge pump deve rispettare consistono in un basso drop sulla tensione di uscita, al fine di garantire un corretto funzionamento del blocco a valle anche quando la tensione di alimentazione raggiunge il valore di 4V e, naturalmente, in una alta efficienza di conversione per trarre vantaggio dalla sua introduzione all’interno del dispositivo. Questo lavoro di tesi ha previsto, inoltre, il progetto di un generatore di onda quadra per la definizione della frequenza di clock del circuito charge pump voltage splitter.