專利名稱：開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，更具體而言，涉及開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器以及用于集成電路器件的方法。
背景技術(shù)：
功率管理已經(jīng)成為先進計算體系的關(guān)鍵組成部分，所述先進計算體系包括高端微處理器系統(tǒng)和可移動的電子設(shè)備。然而，現(xiàn)存的片上方案限制了在同時實現(xiàn)高輸出電流和高功率轉(zhuǎn)換效率方面的成功。具體而言，用于CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的標(biāo)稱電源電壓(Vdd)值由于性能和功率的縮放而在過去數(shù)年內(nèi)逐漸降低。而保持功率輸送系統(tǒng)中的效率隨著Vdd的按比例縮小變得更加困難。在Vdd= 1伏(V)時，從外部功率源到在Vdd下操作的電路的能量損耗顯著。由于在輸送網(wǎng)上的功率損耗與電壓的平方(V2)成反比，因此對于所謂的“低’ 電路(例如，約300-500毫伏(mV)，功率輸送的效率問題進一步加劇。此外，在同一 IC芯片上的邏輯電路、SRAM和嵌入的DRAM需要多個電源電壓。使用線性串聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器或電感降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生這些電壓。片上線性調(diào)節(jié)器使用電阻元件來降低電壓，因而不是能量有效的。通常，降壓轉(zhuǎn)換器需要分立的片外電感器來實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率。然而，由于在硅襯底上集成高質(zhì)量電感器的困難，片上集成降壓轉(zhuǎn)換器具有差的功率轉(zhuǎn)換效率。因此，希望能夠提供用于集成電路器件的改善的電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和具有多個電壓域的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個示例性實施例中，一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換裝置包括第一電容器；第一 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第一電極耦合到第一電壓域的低側(cè)電壓軌；第一 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；第二 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌；以及第二 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌。在另一實施例中，一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括時鐘源，其具有多個時鐘相位；多個對應(yīng)于多個相位中的一個的起動信號；以及多個電壓轉(zhuǎn)換器，其受到所述起動信號的控制，其中每個電壓轉(zhuǎn)換器包括第一電容器；第一 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第一電極耦合到第一電壓域的低側(cè)電壓軌；第一 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；第二 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌；以及第二 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌。在另一實施例中，一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括時鐘源，其具有多個時鐘相位；多個對應(yīng)于多個相位中的一個的起動信號；以及多個電壓轉(zhuǎn)換器，其受到所述起動信號的控制，其中每個電壓轉(zhuǎn)換器包括第一電容器；與第一電壓域相關(guān)聯(lián)的NFET 器件和PFET器件的第一對，其中所述第一對中的第一 NFET被配置為選擇性地將所述第一電容器的第一電極耦合到所述第一電壓域的低側(cè)電壓軌，并且所述第一對中的第一 PFET 器件被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；與第二電壓域相關(guān)聯(lián)的NFET器件和PFET器件的第二對，其中所述第二對中的第二 NFET器件被配置為選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到所述第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌，并且所述第二電壓域的第二 PFET器件被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌；以及與所述第一電容器串聯(lián)的一個或多個附加的電容器；用于一個或多個附加的電容器中的每一個的與一個或多個附加的電壓域相關(guān)聯(lián)的NFET器件和PFET器件的一個或多個附加的對，以限定多級轉(zhuǎn)換器，所述多級轉(zhuǎn)換器將 N個電壓單位的電壓電平標(biāo)稱地(nominally)轉(zhuǎn)換為M個電壓單位的電壓電平，反之亦然； 其中N表示開關(guān)器件的對的總數(shù)目，N-I表示電容器的總數(shù)目，并且1彡M彡N-I。在又一實施例中，一種實現(xiàn)用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換的方法包括使用第一 NFET器件選擇性地將第一電容器的第一電極耦合到第一電壓域的低側(cè)電壓軌；使用第一 PFET器件選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；使用第二 NFET器件選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌；以及使用第二 PFET器件選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌。


參考示例性附圖，其中在幾個附圖中相似的要素被相似地標(biāo)號圖1是常規(guī)的2到1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的2到1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖3是示例圖2的電壓轉(zhuǎn)換器的操作的電壓和時序圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的3到1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的時序圖；圖5是示例圖4的轉(zhuǎn)換器的一般電路拓?fù)涞氖疽鈭D；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例使用所公開的開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器實施例的示例性多相位電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例具有N+1個電壓電平的一般開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例使用圖8中所示的總共k個開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的示例性多級電壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖9是使用圖8的多相位電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示例性N到M降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖；圖10是使用圖8的多相位電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示例性M到N升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖；圖11是具有多個輸入和輸出電壓的使用圖8的系統(tǒng)的多級電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖；以及圖12是使用深溝槽電容器陣列實現(xiàn)的示例性開關(guān)電容器的示意圖。
具體實施例方式本文中公開了涉及開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器技術(shù)的改進的電路和方法。簡言之，本文中給出的實施例利用片上深溝槽(DT)電容器和絕緣體上硅(SOI)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)場效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)。在一個2到1轉(zhuǎn)換器的實施例中，使用兩個 SOI ρ型FET(PFET)和兩個SOI η型FET(NFET)完成電壓轉(zhuǎn)換。在另一個3到1轉(zhuǎn)換器的實施例中，使用三個SOI PFET和三個SOI NFET。本文中公開的一般體系和方法允許在具有整數(shù)比率的兩個電壓之間進行電壓轉(zhuǎn)換。所公開的系統(tǒng)不需要高擊穿電壓開關(guān)。此外，所公開的系統(tǒng)實施例為可反轉(zhuǎn)的，可被用作降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器或負(fù)電壓發(fā)生器。此外， 備選實施例預(yù)期利用采用三阱技術(shù)的體CMOS開關(guān)。此外，所公開的系統(tǒng)的縮放能力允許集成極大量的單獨的多相位電壓轉(zhuǎn)換器以平滑電壓輸出。作為本發(fā)明的另一方面，通過改變開關(guān)頻率而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。在許多文章中討論了開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，例如，參見Kiyoo Itoh, Masashi Horiguchi,禾口 Hitoshi Tanaka, “ Ultra-Low Voltage Nano-Scale Memories “, Springer, New York，2007。首先參考圖1，示出了常規(guī)開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器100的通常拓?fù)涞氖疽鈭D，該常規(guī)開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器100進行從V2到Vl的降壓轉(zhuǎn)換或者從Vl到 V2的升壓轉(zhuǎn)換，其中V2與Vl的電壓比率近似等于2。在操作中，第一對開關(guān)SWl和SW2被配置為將電容器Cl耦合在Vl與地之間(通過相位信號Φ控制)。第二對開關(guān)SW3和SW4 同樣被配置為將電容器Cl耦合在V2與Vl之間(通過相位信號^控制)。在降壓轉(zhuǎn)換中， V2 > 2 * VI。通過閉合SW3和SW4，電容器Cl被朝向值為(V2-V1)的跨過Cl的電壓差的電平充電。通過閉合SWl和SW2，電容器Cl被朝向值為(Vl-GND)的跨過Cl的電壓差的電平充電。因此，跨過Cl的電壓差在對應(yīng)于Vl的值與值(V2-V1)之間的差的相對小的范圍內(nèi)改變，這導(dǎo)致大的電壓轉(zhuǎn)換效率。例如，如果Vl為0.95伏(V)且V2為2.0V，則跨過Cl 的電壓在0. 95V與1. 05V之間切換，導(dǎo)致95%的固有轉(zhuǎn)換效率。通常，存在許多實現(xiàn)圖1的轉(zhuǎn)換器的特定切換元件和電容器。例如，可以簡單地在片外提供開關(guān)和電容器。備選地，如果將開關(guān)實現(xiàn)為在體半導(dǎo)體襯底上的M0SFET，則典型地存在被耦合到上電壓軌(voltage rail)(例如，2到1轉(zhuǎn)換器中的V2)的PFET開關(guān)器件和用于保持開關(guān)的NFET器件。然而，這些晶體管開關(guān)典型地經(jīng)受相對大的柵極電壓擺動，導(dǎo)致顯著的能量損耗并由此降低能量轉(zhuǎn)換效率。同樣地，常規(guī)的片上電容器方案限制了片上電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流和能量轉(zhuǎn)換效率。由于沒有高密度電容器，片上開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器僅僅可用于低電流應(yīng)用。常規(guī)片上電容器的雜散電容降低了能量轉(zhuǎn)換效率。
為了改善片上開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流和能量效率，所公開的系統(tǒng)使用片上深溝槽(DT)電容器和絕緣體上硅(SOI)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q場效應(yīng)晶體管 (FET)開關(guān)。相應(yīng)地，圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的2到1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器200的示意圖，其中使用S0ICM0S技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)。更具體地，圖2的2到1電壓轉(zhuǎn)換器200使用兩個 PFET Pl和P2以及兩個NFET Nl和N2。Pl選擇性地將第一電容器電極耦合到Vl軌，而P2 選擇性地將第二電容器電極耦合到V2軌。m選擇性地將第一電容器電極耦合到地軌，而 N2選擇性地將第二電容器電極耦合到Vl軌。在降壓轉(zhuǎn)換模式中，V2是輸入電壓且Vl是輸出電壓，其中V2 > 2 * VI。通過具體實例，降壓轉(zhuǎn)換器以V2 = 2. OV且Vl = 0.95V操作。 在升壓模式中，Vl是輸入電壓且V2是輸出電壓，其中V2 <2 * VI。通過另一具體實例，升壓轉(zhuǎn)換器以V2 = 2. OV且Vl = 1.05V操作。施加到P2和N2的柵極的起動(時鐘)信號(Φρ2_ι和Φ Vi)在Vl與V2之間擺動。相反地，施加到Pl和Nl的柵極的起動信號(Φ Voin Φ:)在VO (GND)與Vl之間擺動。圖3中示出了這些柵極信號的電壓和時序圖300以及所產(chǎn)生的跨過電容C的電壓差Vc。 使用不交疊時鐘以避免產(chǎn)生從V2到GND的直接路徑的瞬變條件(即，防止所有四個FET同時導(dǎo)通)。該實施例的有利方面在于，每個晶體管開關(guān)僅僅經(jīng)受相對小的電壓擺動。例如， 圖2中的P2和N2的柵極端子在V2與Vl之間的電壓域內(nèi)，而圖2中的Pl和m的柵極端子在Vl與VO之間的電壓域內(nèi)。如下理解降壓轉(zhuǎn)換模式的圖2的轉(zhuǎn)換器200的操作。在兩個PFET Pl和P2都導(dǎo)通而兩個NFET m和N2都關(guān)斷的“P循環(huán)”期間，電容器C從較低電壓值(Vl-VO)朝向較高值(V2-V1)充電。在兩個PFET都關(guān)斷而兩個NFET都導(dǎo)通的“N循環(huán)”期間，電容器C從 (V2-V1)放電到(Vl-VO)。在循環(huán)時間遠(yuǎn)大于RC時間常數(shù)的限制情況(其中R為開關(guān)的串聯(lián)導(dǎo)通電阻)下，在Vl處的電荷輸出為2 * C * (V2+V0-2V1)。因此，在切換頻率f下，在 Vl處的電流由下面的表達(dá)式給出]" = 2/C(r2+H)式⑴假設(shè)VO = 0，則固有能量效率由下式給出
2V能量效率=#式(2)
'2 在一般情況下，通過以下表達(dá)式給出更完整的解
(tP V _tjL 、
e{Rp2+Rpi)c
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換裝置，包括 第一深溝槽電容器；第一 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第一電極耦合到第一電壓域的低側(cè)電壓軌；第一 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；第二 NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌；以及第二 PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌；其中所述第一和第二 NFET和PFET器件形成在絕緣體上硅(SOI)襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中向所述第一和第二NFET和PFET器件施加起動信號，以使所述第一電容器在對應(yīng)于跨過所述第一電壓域的電壓差的第一量值與對應(yīng)于跨過所述第二電壓域的電壓差的第二量值之間充電和放電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中對于降壓轉(zhuǎn)換模式操作，所述第二電壓域的所述高側(cè)電壓軌V2是輸入電壓，且所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌Vl是輸出電壓，以便V2 > 2女Vl0
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中對于升壓轉(zhuǎn)換模式操作，所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌Vl是輸入電壓，且所述第二電壓域的所述高側(cè)電壓軌V2是輸出電壓，以便V2 < 2女Vl0
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中以防止任何NFET器件和任何PFET器件同時導(dǎo)通的方式向所述第一和第二 NFET和PFET器件施加所述起動信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中輸出電流與所述起動信號的開關(guān)頻率成比例。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一 NFET和PFET器件的柵極端子完全在所述第一電壓域內(nèi)操作；并且所述第二 NFET和PFET器件的柵極端子完全在所述第二電壓域內(nèi)操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括與所述第一電容器串聯(lián)的一個或多個附加的電容器；與一個或多個附加的電壓域相關(guān)聯(lián)的附加的NFET和PFET器件的一個或多個對，其用于一個或多個附加的電容器中的每一個，以便限定這樣的電壓轉(zhuǎn)換器，該電壓轉(zhuǎn)換器將N 個電壓單位的電壓電平標(biāo)稱地轉(zhuǎn)換成M個電壓單位的電壓電平，反之亦然；其中N表示NFET和PFET器件的對的總數(shù)目，N-I表示電容器的總數(shù)目，并且 1 ^ M ^ N-I0
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中在每個電壓域中的NFET和PFET器件的對被控制為使相關(guān)聯(lián)的電容器在第一量值與第二量值之間充電和放電，其中對于所述裝置的第X個電容器，所述第一量值對應(yīng)于跨過第X個電壓域的電壓差，且所述第二量值對應(yīng)于跨過第(X+1) 個電壓域的電壓差。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中以防止任何NFET器件和任何PFET器件同時導(dǎo)通的方式操作所述NFET和PFET器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中對于降壓轉(zhuǎn)換器操作模式，所述轉(zhuǎn)換器用作N到M降壓轉(zhuǎn)換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中對于升壓轉(zhuǎn)換器操作模式，所述轉(zhuǎn)換器用作M到N升壓轉(zhuǎn)換器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中第一多個電壓電平被轉(zhuǎn)換為第二多個電壓電平。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中利用三阱技術(shù)將所述第一和第二NFET和PFET器件形成在體硅襯底上。
15.一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括 時鐘源，其具有多個時鐘相位；多個對應(yīng)于多個相位中的一個的起動信號；以及多個電壓轉(zhuǎn)換器，其受到所述起動信號的控制，其中每個電壓轉(zhuǎn)換器包括任何前述權(quán)利要求的要素。
全文摘要
一種用于集成電路的片上電壓轉(zhuǎn)換裝置包括第一電容器；第一NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第一電極耦合到第一電壓域的低側(cè)電壓軌；第一PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第一電極耦合到所述第一電壓域的高側(cè)電壓軌；第二NFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的第二電極耦合到第二電壓域的低側(cè)電壓軌，其中所述第二電壓域的所述低側(cè)電壓軌對應(yīng)于所述第一電壓域的所述高側(cè)電壓軌；以及第二PFET器件，其被配置為選擇性地將所述第一電容器的所述第二電極耦合到所述第二電壓域的高側(cè)電壓軌。
文檔編號G11C5/14GK102334164SQ201080009228
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者B·吉, R·H·德納爾德, R·K·蒙托耶 申請人:國際商業(yè)機器公司