MOSFETの基板バイアス効果を利用するオンチップSCコンバータの高効率化設計

チップ内の回路ブロック毎に電力を供給するオンチップの DC/DC コンバータとして，SC (Switched-Capacitor) コンバータが注目されている．高速スイッチングにより SC コンバータの小面積化が可能であるが，周波数が固定の場合，低負荷時のスイッチを駆動する損失が大きい問題がある．そこで負荷に応じて周波数と使用するスイッチ数を変えてオン抵抗をスケーリングする手法がある．しかし，低負荷時に未使用のスイッチのリーク損失が大きく，高温動作時に電力効率は大きく低下する．本論文では，基板バイアス効果により負荷電流 0.1mA から 20mA に対して電力効率を高く維持し，小さい追加機構で高温動作時の電力効率を最大で 10% 向上させる SC コンバータを提案する．

SC (Switched-Capacitor) converters are suitable for on-chip DC/DC converters as they are designed to occupy very small areas using a high switching frequency. Under a fixed frequency scheme, the converter's efficiency decreases drastically with the decrease of load current due to the driving loss. Therefore, dynamic scaling of frequency and on-resistance have been proposed to address this problem. However, under a dynamic scaling scheme, the number of unused switches increases with the decrease of load current, where the leakage current of the unused switches becomes a dominant source of energy loss. Especially under high-temperature operation, leakage current significantly degrades power efficiency. Thus, reducing the leakage current is critical in realizing high efficiency at a low load current. In this paper, we propose a method of utilizing substrate bias effect, which can reduce leakage loss at low loads and maintain high power efficiency for load currents from 0.1mA to 20 mA. Our proposed SC converter improves power efficiency by up to 10% under high-temperature operation with a small additional circuit.