International Symposium on Low Power Electronics and Design
Switched-Capacitor Boost ConverterDesign and Modeling for IndoorOptical Energy Harvesting withIntegrated Photodiodes
Stanley W. Hsu, Erin Fong, Vipul Jain, Travis Kleeburg,Rajeevan Amirtharajah
University of California, Davis
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
2
Outline
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
3
Outline
4
Introduction
•Ultra-low voltage sensor circuits powered byfree-space optics (Kleeburg, 2010)
•Integrated photovoltaics for optical
power, data, and clock delivery
•Subcutaneous medical implants
•Ultra-low duty cycle sensor (Ayazian, 2012)
•Integrated photovoltaics
(2.5 mm x 2.5 mm)
•Off-chip capacitive and resistive
transducers, and electrodes
–Rectified AC mainsat 120 Hz
5
Energy Harvesting from Indoor Lighting
–Pulse-width-modulateddimming at > 200 Hz
•Low light intensity limits harvested energy
•Issue: light flickering
http://www.dlsound.net/LED_Light.gif
http://ksj.mit.edu/sites/default/files/images/tracker/2009/lightbulb.png
Source: ksj.mit.edu
Source: www.dlsound.net
6
IntegratedPhotodiode
PowerElectronics
Vdd DomainCircuits
Light
Vdd
Indoor Lighting-Powered Sensor
BypassCapacitor
Supply
ripple
Cost,
Area/Volume
Circuit
performance
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
7
Outline
8
Integrated Photodiode Designs
P+/NW
P+/DNW
Voc
523 mV
508 mV
Isc density
134 A/mm2
52 A/mm2
Power generated/area
557.5 W/mm2
210 W/mm2
P+/NW
P+/DNW
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\4PD2s_series.png
9
Integrated Photodiode Results
3 P+/DNW photodidoes stacked in series
                                                                (no bypass capacitor)
Increasing frequency or duty cycle decreases ripple.
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
10
Outline
•Phase 2 – Charge capacitors to VIN
•Phase 1 – Boost output to 4x VIN
11
Switched-Capacitor Boost Converter
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\p2s4_schematic.png
S4
12
Buck Converter Model
Fast Switching Limit:
Slow Switching Limit:
(Seeman, 2008)
Combined Output Impedance:
13
Proposed Boost Converter Model
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\Cascaded_model_modified_5.PNG
Model accounts for bottom plate parasitic effectsand allows cascading of multiple stages
N=4
14
SCBC Output vs. Switching Frequency
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\sim_meas_hand_plot_9_no_hf_model.png
Model is accurate to within 10%, from 500 Hz to 5 MHz
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\ripple_vs_fsw_sim_loglog.png
SCBC Simulated Ripple to Output Ratio
15
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
16
Outline
17
Conventional 1st Order DSM Design
Integrator
Pre-Amp
+
1-bit DAC
Analog
input
Digital
output
-
error
Latch
Comparator
18
Proposed 1st Order DSM Design
Low PassFilter
Pre-Amp
+
1-bit DAC
Analog
input
Digital
output
-
error
Latch
Removed!
19
Proposed 1st Order DSM Schematic
Attenuates input!
Gain <1
Switched-capacitor
low pass filter
1b DAC feedback
Dynamic Comparator
No pre-amplifier
dsm_nomod_50kHz.png
20
DSM Die Photo and Measured Results
1
tc1_dsm_die.png
Technology
180 nm
180 nm
Supply Voltage
1.4 V
1.8 V
Sampling Rate
50 kHz
1.6 MHz
Nyquist Rate
4 kHz
4 kHz
SNDR
@ -7dBFS input
~27 dB
~50dB
SNDR ~27 dB
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
21
Outline
•Sampling switch behaves as passive mixer (Cook, 2006)
•Distortion due to passive mixing
–Sampling switch
•Mixing between input and ripple
–1b DAC feedback switch
•Mixing between ripple and itself
22
Supply Ripple Effects on DSM
vin.png
vclk.png
vout.png
23
Measured DSM Lower Sideband Spectrum
dsm_spec_lower.png
24
Measured DSM SNDR vs. Ripple
C:\Users\stanley\Dropbox\ISLPED2013_PAPER\figs\sndr_vs_mod.png
Vdd = 1.4V
Sampling Rate = 50 kHz
Input Amplitude = -7dBVdd
~4.5 bits
~2 bits
•Introduction/Motivation
•Integrated Photodiode
•Switched-Capacitor Boost Converter(SCBC)
•Delta-Sigma Modulator (DSM)
•Supply Ripple Effects on DSM
•Summary
25
Outline
•P+/NW integrated photodiodes achieves
557.5 µW/mm2 with Voc=523 mV
•Switched-capacitor boost converter model forpredicting output voltage to within 10% accuracyfrom 500Hz to 5 MHz
•Supply ripple effects on passive delta-sigmamodulator results in IM2 distortion at
26
Summary
27
IntegratedPhotodiode
PowerElectronics
Vdd DomainCircuits
Light
Vdd
Summary
BypassCapacitor
 If DSM can tolerate anincreased supply ripplefrom 10% to 21% of Vdd,bypass capacitor can bereduced from 56.5 nF to3.86 nF.
•Texas Instruments for chip fabrication
–William McIntyre
–Arun Rao
–Keith Schoendoerfer
–Greg Winter
–Bijoy Chatterjee
28
Acknowledgements