Progetto di un convertitore DC/DC di tipo Buck 80V/2A ad alta efficienza in tecnologia CMOS-90nm

In this work it will be presented the design stages of a powertrain in a buck DC/DC converter. The project has been realized thanks to innovative process technologies and design tools proprietary of Maxim. Precisely, I will explain and motivate the design choices both with theory and utilizing practical and intuitive methods. The final objective of this work is to design a DC/DC step-down converter in CMOS-90nm, which exploits a new integrated technology proprietary of Maxim Integrated, that can support voltages up to 80V. The converter has been designed to return at the output, through a PWM control, a selectable voltage from a minimum of 3.3V to a maximum of 75V, a maximum load current of 2A and with the main objective of reaching efficiencies in the order of 95% in typical load situations. This project belongs to the industrial research and development division, so its design has been done minding the temperature range of interest inside of which it is needed to guarantee full working functionalities and the required factors of reliability dictated by process variances. Starting from the characterization and study of high voltage MOS models and based on a previous Maxim Integrated project with similar functionalities at 42V, I began to design at system level and then moved into the details of single building blocks that constitutes the powertrain of the buck converter, taking as a first guideline the necessity to obtain the highest possible efficiency in typical load condition of the requested application. Finally, I will present the Cadence simulations of the project in real world conditions, which means taking into consideration the parasitic effects introduced by the package in which the integrated chip will be mounted. These simulations will include the fundamentals parameters of the project: efficiency and output voltage ripple.

In questo lavoro di tesi si sono volute presentare le fasi di progettazione dello stadio di uscita di potenza di un convertitore DC/DC di tipo Buck. Il progetto è stato effettuato grazie alle tecnologie di processo innovative e strumenti di progettazione proprietari di Maxim Integrated. In particolare, verranno spiegate e motivate le scelte di progetto effettuate sia tramite calcoli teorici, sia attraverso metodi pratici e intuitivi. L’obiettivo finale è la progettazione di un convertitore DC/DC step-down in CMOS-90nm, che sfrutta una nuova tecnologia integrata proprietaria di Maxim Integrated, in grado di sostenere tensioni fino a 80V. Il convertitore verrà progettato in modo da poter restituire, tramite controllo in PWM, una tensione di uscita selezionabile da un minimo di 3.3V a un massimo di 75V, una corrente di uscita massima di 2A e con l’obiettivo di raggiungere efficienze dell’ordine del 95% in situazioni di carico tipiche. Il progetto è stato svolto nell’ambito della divisione di ricerca e sviluppo industriale: si è quindi tenuto conto del range di temperatura entro il quale garantire il corretto funzionamento e dei fattori di affidabilità richiesti dettati dalle varianze di processo. Partendo dalla caratterizzazione e studio dei modelli dei MOS ad alta tensione e basandosi su un precedente progetto di Maxim Integrated con funzionamento analogo a 42V, si è iniziata la progettazione a livello sistemistico, per poi entrare nel dettaglio dei singoli blocchi che costituiscono lo stadio di uscita di potenza, tenendo come prima linea guida del progetto la necessità di ottenere la più alta efficienza possibile nelle condizioni di carico tipiche dell’applicazione. Infine, verranno presentate le simulazioni Cadence del progetto in condizioni reali, considerando cioè gli elementi parassitici introdotti dal package in cui il chip integrato verrà inserito e le simulazioni dei parametri fondamentali del progetto: efficienza e ripple di tensione in uscita.