[springer 2011 ebook]CMOS High Efficiency On-chip PowerManagement

pipiw

CMOS High Efficiency On-chip Power Management (Analog Circuits and Signal Processing)
by:  [size=90%]John Hu, Mohammed Ismail

This book will introduce various power management integrated circuits (IC) design techniques to build future energy-efficient “green” electronics. The goal is to achieve high efficiency, which is essential to meet consumers’ growing need for longer battery lives. The focus is to study topologies amiable for full on-chip implementation (few external components) in the mainstream CMOS technology, which will reduce the physical size and the manufacturing cost of the devices.

s2618017

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iceone95

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nesta

Part I Green Electronics and Power Management
1 Green Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 The Concept of Green Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 The Applications of Green Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Wild Life Monitoring .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Green Electronics Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Power Management IC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1 Challenges: High Efficiency and Full On-chip .. . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 Specifications Versus Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3 Multi-Dimensional Trade-Off .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 Interdisciplinary with Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 System Power Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Overview: A Holistic Approach .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Very Low Power Applications: A Sleep Mode Perspective .. . . . . . . . . . 23
2.2.1 Power Chain Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Power Saving from Proposed Structure.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Part II Power Management IC Design
3 Linear Regulators .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 A Power Supply Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Feedback Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.3 Topologies: LDO vs HDO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 LDO Performance and Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 DC Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 AC Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.3 Transient Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 External Capacitor-Free LDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.2 Existing Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Current-Area Efficient Capacitor-Free LDO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Motivation: Efficiency Size Trade-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.2 Approach: Excessive Gain Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.3 Method: Input Current-Differencing .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.5 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Switching Converters .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1 Light-Load Efficiency Challenge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 Existing Light-Load Efficiency Boosting Techniques.. . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 The Long-Sleep Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 Implication: Large-I0 Approximation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.3 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.4 Novelty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4 LSM Buck Converter Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.1 System Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.2 Power Train Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.3 Control Loop Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

leonken459

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