A single inductor bipolar output DC-DC converter with PFM adaptive peak current control for AMOLED displays

In modern portable electronic devices, such as smartphones and smartwatches, AMOLED displays are replacing LCDs due to their compactness, lower energy consumption, more vibrant and brighter colors. Operating these displays requires bipolar supply voltages, often achieved through multiple DC/DC converters, each needing a separate inductor. However, using multiple inductors increases both chip volume and the bill of materials cost. To address this, Single-Inductor Bipolar-Output (SIBO) converters can be used as a more efficient alternative. This thesis presents a novel controller for a SIBO converter designed for AMOLED applications. The proposed controller employs a time-interleaved pulse-frequency-modulation (PFM) scheme to improve efficiency at very light loads, thereby extending battery life when the circuit is in idle mode. Unlike state-of-the-art solutions, this controller leverages the switching frequency as an indirect measure of AMOLED display current. This measurement is then used to dynamically adjust the inductor peak current, optimizing the overall converter efficiency. The analytical relationship between switching frequency, peak inductor current and efficiency is derived and validated through MATLAB simulations, followed by a presentation of the controller’s block schematic. Additionally, the thesis explores the transistor-level design of output comparators in a BCD technology. These comparators are particularly challenging to design due to the extremely low current budget (< 250nA). Both the controller and comparators are validated through system-level and transistor-level simulations using SIMPLIS and Cadence Virtuoso, respectively.

Nei moderni dispositivi elettronici portatili, come smartphone e smartwatch, i display AMOLED stanno soppiantando gli LCD grazie alla loro compattezza, al minor consumo energetico e ai colori più vividi e luminosi. Questi display richiedono una tensione di alimentazione bipolare per il funzionamento, il che tipicamente necessita di diversi convertitori DC/DC, ciascuno con il proprio induttore. Tuttavia, poichè l’uso di più induttori aumenta dimensioni e costi, i convertitori Single-Inductor Bipolar Output (SIBO) possono essere utilizzati come valida alternativa. Questa tesi descrive un nuova soluzione per il controllo di convertitori SIBO per display AMOLED. Il controller proposto impiega uno schema di modulazione della frequenza (PFM) per migliorare l’efficienza a basso carico, estendendo così la durata della batteria quando il circuito è in modalità di stand-by. A differenza dello stato dell’arte, questo controller sfrutta la frequenza di switching come misura indiretta della corrente impiegata dal display. L’informazione viene quindi utilizzata per regolare dinamicamente la corrente di picco dell’induttore, ottimizzando l’efficienza complessiva del convertitore. Le relazioni tra frequenza di switching, corrente di picco dell’induttore ed efficienza sono ricavate analiticamente e supportate da uno studio MATLAB sul controllo. Lo schema a blocchi del controller viene presentato ed è seguito dalla progettazione transistor-level in tecnologa BCD dei comparatori di uscita. Questi comparatori sono particolarmente difficili da realizzare a causa del budget di corrente estremamente basso (< 250nA). Sia il controller che i comparatori sono validati attraverso simulazioni di sistema e transistor level utilizzando rispettivamente SIMPLIS e Cadence Virtuoso.