Ph.D. Thesis title:

Prospects of voltage regulators for next generation computer microprocessors

Author:

Toni López Julià

Director:

Eduard Alarcon Cot

Reading Date:

18/06/2010

Abstract:

Arquitecturas de potencia multifásicas basadas en el convertidor reductor síncrono son evaluadas para determinar si la topología de reguladores de tensión más extendida actualmente satisface los requerimientos energéticos de la próxima generación de microcontroladores informáticos. Según los pronósticos, la corriente de carga demandada alcanzará los 200A al mismo tiempo que la tensión de alimentación disminuirá a los 0.5V con reducidas tolerancias de línea de carga tanto a nivel estático como dinámico. En vista de estas demandas, investigadores afrontan serios retos para elaborar soluciones compatibles que además ofrezcan niveles aceptables de eficiencia y densidad de potencia.

Entre los frentes más prominentes de investigación se encuentran desarrollos tecnológicos fundamentales cuyo fin es el de mejorar el comportamiento dinámico de dispositivos semiconductores para su funcionamiento a altas frecuencias de conmutación. Esto es ampliamente reconocido y de vital importancia ya que el aumento de la frecuencia de conmutación permite el incremento de la densidad de potencia y, por tanto, la miniaturización del circuito de potencia. Dado sin embargo que las pérdidas dinámicas deben mantenerse bajas para evitar el uso de radiadores y otros elementos de disipación de calor, uno de los objetivos primordiales es conseguir desarrollar tecnologías semiconductoras y sistemas de integración que permitan operar dispositivos con baja resistencia de conducción a altas frecuencias de conmutación de forma eficiente.

Ello justifica el principal foco de atención de la tesis, centrado en el estudio exhaustivo del comportamiento dinámico de dispositivos MOSFETs en el convertidor reductor síncrono.

La dinámica del MOSFET, lejos de ser apropiadamente descrita con los modelos tradicionales de conmutación forzada, es en gran medida influenciada por un número de elementos circuitales (lineales o no) que habitualmente han sido ignorados y que deben ser considerados para predecir formas de onda reales de alta dinámica de conmutación. Conseguir esto es fundamental para comprender la dinámica de los dispositivos semiconductores, así como identificar y cuantificar los mecanismos de pérdidas asociados.

Reconociendo la relevancia de herramientas de modelado apropiadas para este estudio, el segundo foco de atención de la tesis es centrado en el desarrollo de un número de modelos dinámicos de dispositivos MOSFETs para simulaciones circuitales. Combinados con una serie de líneas de diseño, estos modelos forman la base de una metodología de análisis y desarrollo, donde el cálculo numérico reemplaza los frecuentes y tediosos esfuerzos empíricos que tecnólogos emplean para introducir mejoras en cada una de las soluciones generacionales. Ello da luz al concepto llamado ‘lazo de diseño virtual’, el cual es aplicado con éxito en el desarrollo tecnológico de un nuevo dispositivo MOSFET de potencia con notables mejoras en prestaciones dinámicas y estáticas con respecto a dispositivos comerciales actuales.

En base a esta metodología aplicada, y desde una perspectiva global de sistema, los límites de densidad de potencia del convertidor serán explorados para esta y otras tecnologías emergentes que prometen abrir un nuevo paradigma en el ámbito de sistemas integrados de potencia para reguladores de tensión avanzados.