To ensure the reliability and sustainability of IoT systems, the integration of on-chip voltage regulators with high power conversion efficiency and compact form factors is imperative, given the inherent limitations of power sources like batteries. Among the various options, switched-capacitor (SC) DC-DC converters emerge as favorable choices due to their high power density and efficiency. This thesis introduces novel topologies of Switched Capacitor (SC) DC-DC converters tailored for low power applications, focusing on two key aspects: Dynamic Voltage Scaling (DVS) and energy harvesting. DVS enhances power efficiency in small IoT devices with limited power sources. SC DC-DC converters prove advantageous for implementing DVS due to their high integrability and cost-effectiveness. This thesis presents a single/dual-output SC DC-DC converter featuring simplified inter-stage connections made in a 2D array topology, enabling voltage conversion ratio (VCR) transitions without charge redistribution loss. This converter achieves high VCR reconfigurability by geometrically arranging bias voltage on flying capacitors within the array. It has the capacity to switch between two VCRs without internal losses. This enables dual outputs with independent control over VCRs and load currents, while still maintaining the ability for soft VCR transitions on both outputs. Energy harvesting has attracted considerable interest as a way to powering IoT devices, extending battery life and enabling self-sustained operations. The challenge lies in designing converters that can adapt to voltage fluctuations from diverse ambient conditions. This thesis introduces a novel topology that strikes a balance between a broad range of VCRs and enhanced conversion efficiency, while minimizing overall circuit complexity. Additionally, it enables multi-mode operations, encompassing both conventional SC topologies and the newly introduced ones, ensuring converters operate effectively across diverse operating conditions.
IoT 시스템의 신뢰성과 지속 가능성을 보장하기 위해서는 전압 변환 효율이 높고 소형화를 위해 전압 레귤레이터의 집적화는 필수적이다. 특히 배터리와 같은 전원원의 내재적인 한계를 감안할 때, 스위치드 캐패시터 (SC) DC-DC 컨버터는 높은 전력 밀도와 전력 효율성으로 인해 선호되는 선택지로 부각되고 있다. 본 논문에서는 저전력 응용에 쓰일 수 있는 스위치드 캐패시터 (SC) DCDC 컨버터의 새로운 토폴로지를 소개하며, 동적 전압 스케일링 (DVS) 및 에너지 하베스팅을 두 가지 어플리케이션으로 중점을 둔다. DVS는 전력원이 제한된 소형 IoT 장치에서 전력 효율성을 향상시킨다. SC DC-DC 컨버터는
그들의 높은 집적성과 경제성으로 인해 DVS를 구현하기에 유리하다. 본 논문에서는 2D 어레이 토폴로지에서 간소화된 스테이지간 내부 연결을 갖춘 단일/이중 출력 SC DC-DC 컨버터를 제시한다. 이는 전압 변환 비율 (VCR) 전환을 charge redistribution 손실 없이 가능하게 하며, 어레이 내의 flying capacitor에 바이어스 전압을 기하학적으로 배치하여 높은 VCR 재구성 가능성을 달성한다. 이 컨버터는 내부 손실 없이 두 개의 VCR 간에 전환할 수 있어 독립적으로 VCR 및 부하 전류를
제어하면서 양쪽 출력에서 soft VCR transition 기능을 유지한다. 에너지 하베스팅은 IoT 장치를 구동하는 방법으로 많은 관심을 받고 있으며 배터리 수명을 연장하고 자체 지속 가능한 운영을 가능하게 한다. 다양한 환경 조건에서의 전압 변동에 적응할 수 있는 컨버터를 설계하는 것이 설계의 목표이다. 본 논문에서는 다양한 VCR 범위와 향상된 전력 변환 효율성 사이의 균형을 유지하면서 전체 회로 복잡성을 최소화하는 새로운 토폴로지를 소개한다. 또한 새로 소개된 SC 토폴로지와 기존의 일반적인 SC 토폴로지 모두를 포괄하는 다중 모드 운영을 가능케하여 컨버터가 다양한 운영 조건에서 효과적으로 작동할 수 있도록 한다.
