Design of a wide tuning range voltage-controlled-oscillator for high frequency time-based controller in a 40nm BCD technology

In recent years, especially following the pandemic, the semiconductor market has grown significantly, particularly in digital computing. This expansion has been driven by rapid advancements in machine learning and artificial intelligence, leading to continuous improvements in CPU and GPU performance. Despite this progress, energy efficiency remains a major concern, prompting research efforts to minimize energy losses and enhance power distribution. A crucial component in addressing these challenges is the integrated voltage regulator (IVR), which serves as the final power conversion stage at the point of load, interfacing with intermediate buses in data center power systems. Ensuring a stable and reliable power supply is essential, particularly given the increasing energy demands of modern computing. While single-phase IVRs have been widely used for their simplicity, they struggle with efficiency and power capacity as energy requirements continue to grow. As a result, multi-phase IVRs are now preferred, as they distribute power more effectively across multiple phases. This thesis focuses on the control of multi-phase IVRs, specifically through a time-based approach. Compared to traditional analog and digital control techniques, this method offers a compact and efficient way to regulate DC-DC converters. A major aspect of this work is the integral control of the time-based architecture. A crucial part of this design involves developing high-precision oscillators capable of maintaining stable frequencies across process variations. This frequency stability is essential for achieving precise control within the time-based system. In addition to oscillator design, the thesis covers other components of the integral control network, including the transconductor for the integral and proportional blocks and the offset compensation network. Finally, simulations confirm that the proposed design meets all specified requirements. The control system is implemented in a BCD 40nm technology.

Negli ultimi anni, specialmente dopo la pandemia, il mercato dei semiconduttori ha registrato una crescita significativa, in particolare nel settore del digital computing. Questa espansione è stata trainata dai rapidi progressi nel machine learning e nell'intelligenza artificiale, che hanno portato a continui miglioramenti nelle prestazioni di CPU e GPU. Nonostante questi progressi, l'efficienza energetica rimane un problema principale, spingendo la ricerca a minimizzare le perdite di energia e a migliorare la distribuzione di potenza. Un componente cruciale per affrontare queste sfide è il regolatore di tensione integrato (IVR), che funge da stadio finale di conversione di potenza al punto di carico, interfacciandosi con i bus intermedi nei sistemi di alimentazione dei data center. Garantire un'alimentazione stabile e affidabile è essenziale, soprattutto data la crescente domanda di energia del calcolo moderno. Sebbene i regolatori di tensione integrati a singola fase siano stati ampiamente utilizzati per la loro semplicità, faticano a mantenere l'efficienza e la capacità di potenza con l'aumento dei requisiti energetici. Di conseguenza, i regolatori di tensione integrati multi-fase sono ora preferiti, poiché distribuiscono la potenza in modo più efficace su più fasi. Questa tesi si concentra sul controllo degli IVR multi-fase, in particolare attraverso un approccio time-based. Rispetto alle tecniche di controllo analogiche e digitali tradizionali, questo metodo offre un modo compatto ed efficiente per regolare i convertitori DC-DC. Un aspetto fondamentale di questo lavoro è il controllo integrale dell'architettura time-based. Una parte cruciale di questo progetto riguarda lo sviluppo di oscillatori ad alta precisione in grado di mantenere frequenze stabili al variare dei processi di fabbricazione. Questa stabilità di frequenza è essenziale per ottenere un controllo preciso all'interno del sistema time-based. Oltre alla progettazione dell'oscillatore, la tesi tratta altri componenti della rete di controllo integrale, inclusi il transconduttore per i blocchi integrali e proporzionali e la rete di compensazione dell'offset. Infine, le simulazioni confermano che il progetto proposto soddisfa tutti i requisiti specificati. Il sistema di controllo è implementato in tecnologia BCD a 40 nm.