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

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