High voltage conversion efficiency charge pump based power management integrated circuit for bioimplants
Biyoimplantlar için gerilim dönüştürme verimi yüksek yük pompası tabanlı güç yönetimi tümdevresi
- Tez No: 554347
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Geçtiğimiz son 20 yılda, çok geniş ölçekli tümleştirme teknolojisinde(Very large scale integration-VLSI) katedilen gelişmeler sayesinde birçok analog ve sayısal devre bloğu aynı kırmık üzerinde gerçeklenebilmektedir. Bununla birlikte, alan etkili transistörlerin kanal boylarının gittikçe küçülmesi, devrelerin kırmık üzerinde kapladığı alanların da giderek küçülmesine olanak sağlamıştır. Bu iki gelişme VLSI teknolojisinin uygulama alanları açısından önemli sonuçlar doğurmuştur. İlk olarak, çok karmaşık işlemleri yapabilen bloklar tek bir yonga üzerinde gerçekleştirilerek yekpare bir çözüm sunulabilmektedir. Bilindiği üzere, fiziksel dünya ile iletişim arayüzü görevini analog devreler gerçekleştirmektedir. Çipin çalışması için gerekli besleme gerilimlerini ve akımlarını üreten regülatör, referans üreticiler vb. bloklar da analog devre yapıları kullanılarak tasarlanır. Analog devrelerin bu önemli görevine karşın sayısal devreler de yüksek hesaplama gücüne sahiptir. Bu nedenle analog işaretleri sayısala çevirip sayısal devrelerin hesaplama gücünden yararlanmak büyük avantaj sağlar. VLSI teknolojisinin sunduğu bu iki devre bloğunu aynı yonga üzerinde gerçekleştirme imkânı tasarlanan yongaların işlevselliğini ve performansını çok büyük oranda arttırmıştır. Kanal boylarının gittikçe küçülmesinin getirdiği ikinci avantaj ise düşük gerilimlerde çalışabilme imkânıdır. Kanal boyları ile birlikte, elektrik alanı kanal boyunca sabit tutabilmek için uygulanan besleme gerilimleri de gittikçe düşmektedir. Böylece çok düşük gerilimlerde çalışma olanağı sağlanırken ayrıca güç tüketimi de azaltılmaktadır. Ayrıca kanal boyu küçüldükçe çalışma frekansları artmakta ve sonuç olarak RF devreler de aynı yonga üzerinde gerçeklenebilmektedir. Düşük gerilimlerle çalışabilme özelliği sayesinde yongalar enerji hasatlama uygulamaları açısından kullanışlı hâle gelmiştir. RF işaretler, piezoelektrik materyaller, termoelektrik maddeler gibi kaynakların ürettiği çok düşük gerilim seviyeleri yükseltilerek başka blokların çalışması için gerekli enerji hasatlanabilmektedir. Bu özellik, oldukça küçük yongaların üretilebilmesi özelliği ile birleştiğinde, vücut içine yerleştirilebilen tıbbi uygulamalar için çok uygun bir uygulama alanı sağlamaktadır. Şüphesiz bu kaynaklar içinde en uygun olanı RF işaretidir. Vücut içerisine gönderilen işaret kablosuz enerji iletimi sayesinde yonganın beslenmesini sağlayarak gerekli işlemi yapmaya olanak tanır. Vücut içerisindeki doku ve hücrelere zarar vermemek için, aktarılacak güç seviyesi düşük olmak zorundadır. Ayrıca gönderilen dalga dokularda sönümlenip yansıyarak gücünü kaybetmektedir. Bu nedenle özellikle vücudun iç bölgelerine yerleştirilecek bir implant çok küçük gerilim seviyeleriyle çalışmalı ve düşük güç tüketimine sahip olmalıdır. Yonga içerisindeki blokların fonksiyonlarını düzgün bir biçimde gerçekleştirebilmesi ancak yeterli besleme gerilimlerinde çalışması ile mümkün olmaktadır. Yeni nesil teknolojilerde her ne kadar besleme gerilimleri küçülmüş olsa da hasatlama sonucunda elde edilen gerilimler yaklaşık olarak transistörlerin eşik gerilimleri mertebesinde olmaktadır. Bu durum, gerilimlerin fonksiyonel blokları beslemeden önce yükseltilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Bu işlemi gerçekleştirmek için DC-DC ya da RF-DC gerilim yükselticiler kullanılmaktadır. RF-DC gerilim dönüştürücülerin DC-DC dönüştürücülerden farkı, öncelikle işareti doğrultarak DC işarete çevirmesidir. Sonuç olarak her iki durumda da DC işaret seviyesi verimli bir şekilde yükseltilmelidir. Bu görevi yerine getirebilen bilinen en iyi devre anahtarlamalı gerilim dönüştürücüleridir. Bu devreler endüktansta depolanan enerjinin anahtarlamalı bir şekilde yüke aktarılması prensibine dayanmaktadır. Bu sayede çok yüksek verimler elde edilebilmektedir. Bu devrelerin endüktans elemanını kullanmaları tümleştirme işlemine uygun olmamalarına sebep olmaktadır. Endüktansın kırmık içerisinde çok yer kaplaması ve parazitik elemanlar sebebiyle kırmık dışı endüktans kullanımı performans açısından daha uygundur. Ancak endüktans boyutları yongadan daha büyük olacaktır ve endüktansın manyetik bir eleman olması dış etkilerden etkilenebilmesi olasılığını doğuracaktır. Bunların dışında endüktif gerilim yükselticilerin önemli bir problemi de ilk başlama için anlık yüksek bir gerilime ihtiyaç duymalarıdır. Devreyi çok düşük gerilimler ile başlatabilmek için ek yardımcı devreler zorunludur. İşte bütün bu dezavantajlar, anahtarlamalı endüktif gerilim dönüştürücülerin biyoimplant uygulamalarında kullanılmalarını zorlaştırmaktadır. Gerilim dönüştürücüler için bir diğer alternatif kapasitif anahtarlamalı devrelerdir. Bu devreler yük pompası olarak adlandırılmaktadır ve ilk olarak diyotlar ve kapasitelerle gerçekleştirilmiştir. Ayrıca ideal olarak giriş gerilimini 2'ye katladığı için gerilim ikileyici olarak da isimlendirilir. Bu devrelerin kaskat bağlanması ile teorik olarak giriş geriliminin tam sayı katlarında yükseltme işlemi yapılabilmektedir. VLSI teknolojisindeki gelişmeler ile birlikte bu yapıya ait devre topolojisi de değişmiş ve diyotların yerini anahtarlama için kullanılan MOS transistörler almıştır. MOS transistör kullanılarak gerçekleştirilen en bilindik devre topolojisi çapraz bağlı devredir. Bu devre CMOS proseste kapasitif gerilim yükseltici olarak kullanılmaya en büyük adaydır. Endüktif anahtarlamalı yükselticiler giriş gerilimindeki ve yük akımındaki değişikliklere karşı çıkış gerilimini sabit tutmak için geribesleme mekanizması kullanırlar. Darbe genişlik modülasyonunu kullanarak, değişikliklere bağlı olarak anahtarın açık/kapalı olma süresini ayarlayıp çıkış gerilimini regüle ederler. Bu özellik yük pompası temelli devrelerde bulunmamaktadır. Yalnızca giriş gerilimine bağlı olarak kaskat bağlı bazı katlar devre dışı bırakılarak çıkışın belirli aralıklar içerisinde kalması sağlanabilir. Ek olarak bu devrelerde çıkış akımının yüksek olması için çıkışta kullanılacak kapasite elemanının da büyük olması gerekir. Kullanılacak pasif devre elemanının çok büyük olması endüktif yükselticilerin bu uygulamalarda tercih edilmemesinin sebeplerinden biridir. Bu nedenle çıkış kapasitesi büyütülerek yük pompası devresinden sağlanacak fayda azaltılmamalıdır. Bütün bu karşılaştırmalar ışığında, yük pompası tabanlı yükseltici biyoimplant uygulamaları için uygun bir yapı olarak değerlendirilebilir. Bu tür uygulamalar çok düşük gerilimler ile çalışabilmeli ve çok küçük alan kaplamalıdır. Yük pompaları için endüktif anahtarlamalı yükselticilerdeki gibi ilk başlangıç sorunu olmamaktadır. Ayrıca biyoimplant uygulamaları düşük güç tüketimli olduğu için çıkışta büyük bir depolama kapasitesi kullanma gereği ortadan kalkar ve küçük kırmık üzerinde gerçekleştirilebilir. Çıkışta kullanılacak alçak gerilim düşümlü bir regülatör ile de çıkış regülasyonu sağlanabilir. Verimi düşük olmasına rağmen analog/RF bloklar ile dijital bloklar arasında yalıtım sağlayarak daha temiz bir besleme gerilimi verir. Çapraz bağlı gerilim ikileyici devre biyoimplant uygulamalarında güç yönetimi devresi için gerilimi yükseltmek için kullanılabilir. Devre topolojisi 2 fazlı bir saat işareti ile sürülebilir. Saat işaretinin evriği de ikinci faz olarak kullanılabilmektedir ancak bu durumda çıkışa aktarılan yükün bir kısmı saat geçişi sırasında ters yönde akarak aktarılan yükü geri boşaltmaktadır. Bu sebeple devrenin verimi ve gerilim dönüştürme oranı düşmekte, çıkış geriliminin yükseltilme süresi uzamaktadır. Daha avantajlı bir teknik örtüşmeyen saat işaretleri kullanmaktır. Bu sayede saat geçişlerindeki kayıplardan kurtulmak mümkün olur. Buna rağmen devre topolojisinin başka bir dezavantajı vardır. Anahtar olarak kullanılan transistörleri açmak için geçit bağlantıları yükseltilen kapasite gerilimine bağlanmaktadır. Çıkışa yük aktarımı sırasında çıkıştaki anahtarların etkin geçit-kaynak gerilimi düşeceği için zamanla anahtarın direnci artar. Bir süre sonra yük aktarımı durur. Bu durum zıt fazdaki anahtarlar için de geçerlidir. Zıt fazda kapasite giriş gerilimine kadar doldurulur ve yükseltilmeye hazır hâle gelir. Bu süre zarfında da diğer anahtarların etkin geçit-kaynak gerilimi düşmektedir. Çapraz bağlı topolojinin bir başka bir problemi de anahtarların geçitlerinin yükseltme kapasitelerine bağlanmasıdır. Yükseltme kapasitelerine eklenen bu ek kapasite, kapasitif gerilim bölücü oluşturarak yükseltme gerilimini düşürür. Ancak yükseltme kapasiteleri, transistörlerin geçit kapasiteleri yanında çok büyük seçilirse bu etki azalır. Buna rağmen bu problemin, gerilim dönüştürme verimini bir miktar düşüreceği aşikârdır. Bu çalışmada çapraz bağlı yük pompası topolojisi temel alınarak, anlatılan bütün bu dezavantajları ortadan kaldıracak teknikler kullanılıp düşük giriş gerilimleri ile çalışabilen güç yönetimi tümdevresi tasarlanmıştır. Anahtar olarak kullanılan transistörlerin geçitleri yardımcı yük pompları ile sürülerek yük aktarımı sırasında daha önce bahsedilen sürüş kabiliyetinin azalması sorununu çözer. Kullanılacak olan yardımcı yük pompaları sadece anahtarların geçitlerini, dolayısıyla çok büyük olmayan kapasitif yükleri süreceklerinden toplam verime negatif etkisi çok küçük olmaktadır. Ayrıca transistörlerin geçitlerindeki parazitik kapasite bir defa doldurulduktan sonra sadece kaçak akımları nedeniyle boşalır. Kaçak akımları çok küçük olduğu için bu kapasitelerin tekrar tekrar dolup boşalma durumu ortadan kalkar ve gereksiz güç harcanmasının önüne geçilir. Hatırlanacak olursa çapraz bağlı devrede geçitler, yük aktarımının gerçekleştiği ara düğüme bağlı olduğu için buradaki parazitik kapasiteler de boşalmakta ve tekrar doldurulması gerekmektedir. Ek yük pompası kullanılarak bu sorunun önüne geçilir ve büyük fayda sağlanır. Bu yöntem ayrıca kapasitelerin daha hızlı doldurulmasına ve daha hızlı yük aktarılmasının gerçekleştirilmesine olanak sağlar. Düşük giriş gerilimlerinde anahtarlar eşik-altı gerilimlerde çalışmak zorunda kalır ve yük aktarımı yavaşlar. Bu tekniğin kullanılması özellikle bu sebepten oldukça önemlidir. Çalışmada kullanılan bir diğer teknik de yardımcı yük pompalarını sürmek için farklı fazlarda saat işaretleri kullanılmasıdır. Saat geçişleri sırasında MOS transistörler anlık olarak yön değiştirmekte (savak ile kaynak uçları yer değiştirmekte) ve bu da kısa bir süreliğine de olsa yükün ters yöne tekrar akmasına sebep olmaktadır. Bunun sonucunda hem yük kaybedildiği için gerilim dönüştürme verimi düşmekte hem de güç kaybı yaşanmaktadır. Bu tipteki kayıp devrenin verimini oldukça düşürür. Bu sorunu gidermek için çeşitli örtüşen ve örtüşmeyen saat işaretleri kullanılmış ve yardımcı yük pompaları bu işaretler ile uygun şekilde sürülmüştür. Böylece yüksek gerilim dönüştürme verimi elde edilebilmiştir. Yukarıda anlatılan teknikler kullanılarak tasarlanan yüksek gerilim dönüştürme oranına sahip yük pompası gerilim yükseltme devresi, güç yönetimi tümdevresinin temel bloğunu oluşturmaktadır ve çıkıştaki kapasiteyi doldurur. Bu kapasite geçici bir süre için batarya görevi görmekte de alçak gerilim düşümlü regülatörlerin çalışmasını sağlamaktadır. Böylece sistem çıkış kapasitesini belirli bir değere kadar doldurur ve çalışmasını duraklatır. Bundan sonra regülatörler başka bloklara sabit ve temiz bir besleme gerilimi sağlar. Bu aşamada çıkış kapasitesi zamanla boşalmaktadır ve regülatörlerin çalışabileceği minimum değere düşene kadar diğer blokların işlemini bitirmesi beklenir. Ardından çıkış kapasitesi tekrar doldurularak operasyon periyodik olarak devam eder. Sistemin geri kalan blokları bu operasyonun düzgünce gerçekleştirilebilmesi için gereken kontrol bloklarıdır. Giriş geriliminin değişken yapısı nedeniyle yük pompası bloğu çok katlı olarak tasarlanmıştır ve bu katlardan bazıları çıkış geriliminin 2.5 V'un üzerine çıkmaması için köprülenmektedir. Sistemde hangi katların köprülenmesi gerektiğini, giriş gerilimine göre değerlendiren bir kontrol bloğu bulunmaktadır. Bunun dışında, çıkış kapasitesi belirli bir gerilime kadar doldurulduğunda beklemeye alan ve regülatörleri başlatan; regülatörlerin beslediği bloklardan işlemin tamamlandığına dair gelen işaret ile çıkış kapasitesini doldurmaya tekrar başlanmasını sağlayan bir kontrol bloğu daha sistemin istendiği gibi çalışması için tasarlanmıştır. Serim sonrası benzetim sonuçlarına göre yük pompası yükseltici devre minimum 250 mV mertebesindeki giriş gerilimleri ile çalışabilmekte, maksimum %97 civarında gerilim dönüştürme verimi sağlamaktadır. Ayrıca tüm giriş gerilimi aralığı için gerilim dönüştürme verimi %90'ın üzerindedir.Bu isterleri sağlayan yük pompası, kontrol blokları ile birlikte kullanılarak biyoimplant uygulamaları için uygun bir güç yönetimi tümdevresi, 40 nm CMOS LP proses kullanılarak tasarlanmış ve çalışması benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
For last 20 years VLSI technology has continued to impact various fields of science and technology. From consumer electronics to military applications, chip technology constitutes essential part of the devices. However one field is affected by miniaturization feature of the VLSI technology. This field is implantable biomedical devices or bioimplants, shortly. Low power demand of bioimplants makes chip technology a preferable candidate for designing inside body devices. Additionally energy harvesting applications provide very promising alternative way of supplying power to the chips. Bulky, large batteries are not feasible for inside body devices but wireless power transfer eliminates the use of such large area occupying power sources. Also this property provides opportunity to implant biochips everywhere inside the body because biochips are generally very small devices. Main problem with wireless power transfer into the body is low power level transmission. To avoid the tissues inside body from vital damages, transferred power level is low. Besides, due to the reflections and absorptions, arrived power signal to the chip has very low voltage level. Therefore, bioimplant chips have to work or at least start to work with such low voltage levels. Since it is hard to operate all the circuits with low voltages, boosting input voltage levels to much higher voltages and then supplying other circuit blocks from this multiplied voltage is a reasonable method. Charge pump based voltage multiplier is appropriate for low voltage, low area bioimplants. Inductive switching boost converters uses bulky inductance and they suffer from startup problem with low voltage levels. Therefore charge pump based voltage multipliers suit better for bioimplant applications despite having lower efficiency as compared to the inductive boost converters. For target application in this work, an off-chip 100 nF capacitor is used. Voltage multiplier charges this output capacitor up to predetermined voltage level and after that it pauses its pumping operation. Then, LDO regulators start to work and capacitor serves as a battery during this phase. LDOs supply constant and clean voltage to other circuitry as battery capacitor is discharging. Circuit blocks supplied by LDOs are expected to complete their operations before voltage on the capacitor drops to the level at which LDOs are not able to regulate. For a LDO, this voltage is a dropout voltage larger than the LDO's output voltage and dropout voltage is generally 50-100 mV. After circuit blocks finish their tasks, a flag is sent to the power management block; it stops the LDOs and starts to re-charge output capacitor. This cycle continues as long as input voltage is present. In this work, high voltage conversion efficiency charge pump based power management integrated circuit for bioimplant applications is designed using 40 nm CMOS LP process and verified with simulations. This chip is powered by RF signal and it harvests power and rectifies RF signal to the DC voltage. Charge pump circuit operates as low as 250 mV input voltage. System is reconfigurable which means that some stages are bypassed based on input voltage level so that target output voltage level is reached using minimum number of stages. In this way system optimizes its operation without consuming redundant power. Also utilizing additional charge transfer enhancement techniques, it has maximum voltage conversion efficiency of about 97%.
Benzer Tezler
- Energy harvesting wireless optical microsystems
Enerji hasat eden kablosuz optik mikrosistemler
İSKENDER HAYDAROĞLU
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞENOL MUTLU
- Bir soğutucuyu güneş enerjisi ile besleyen sistemin tasarımı
A Freezer operation by using solar energy
AZMİ DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Sürgülü yön denetim valflerinde yük kaybının yarattığı ısı miktarı
Pressure drop and heat generation in spoel type valves
AHMET DİNÇER
Doktora
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN F. GENCELİ
- Tek silindirli içten yanmalı bir motorda sıkıştırma ve yanma periyodlarının bilgisayarla modellenmesi
Başlık çevirisi yok
MURAT EMİROĞLU
- Bridgman-stockbarger yöntemi ile CsCdBr3 tek kristalinin büyütülmesi ve optik özelliklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
OKAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖNÜL ÖZEN