[发明专利]硅穿孔电感应用于三维集成电路的电压稳压器

说明书

一种硅穿孔电感应用于三维集成电路的电压稳压器，包括并联设置的开关管T₁和开关管T₂，所述开关管T₁和开关管T₂的连接节点为第一级输入节点，所述第一级输入节点分别通过第一电感L₁和第一电阻R₁与第一级输出节点连接，所述第一级输出节点通过第一电容C₁和电流源I₁接地，所述第一级输出节点为第一级输出电压V_out1；所述第一级输出节点分别通过第二电感L₂和第一电阻R₂与第二级输出节点连接，所述第二级输出节点通过第二电容C₂和电流源I₂接地，所述第二级输出节点为第二级输出电压V_out2；所述第一电感L₁和第二电感L₂均为TSV电感。本发明纹波较小、稳压精度较高、有效适用于3D集成电路。

技术领域

本发明属于电压稳压器，涉及一种DC-DC电压转换器，在电路类型分类上属于斩波电路。具体为共享电感DC-DC降压转换器

背景技术

现有的电感型DC-DC降压转换器，参照图1，Buck变换器的主电路结构如图1所示。在图1中，V_i为输入电压、V_O为输出电压、S为PWM控制的开关管、L为储能电感、i_L为流过电感的电流、V_D为续流二极管(或MOSFET管)、C为输出滤波电容、RL为负载电阻。

在开关S导通期间，二极管V_D截至，输入电源通过电感L向负载提供电能，同时流过电感的电流i_L线性增加，将电能转换成磁能储存在电感L中，当电感电流增加到大于I_O后，电容进入充电状态。在开关S关断期间，二极管V_D导通续流，流过电感的电流i_L线性减小，在减小到I_O之前，电感电流给负载供电，同时给电容充电；当i_L减小到小于I_O后，电容进入放电状态，向负载供电，以维持输出电压稳定。

结构较为简单，总体效率相对较高并具有良好的输出电压纹波和噪声，但性能还有很大的提高空间。缺点是：使用PWM技术，现在用PWM技术来做电压转换有一个大的问题，就是输出电压有开关管高频通断带来的高频谐波噪音，输出电压波纹大，稳压精度做不高。还有个较大的问题是电感的选用，现在的片上电感主要为螺旋形电感，其主要缺点就是占用面积资源较多，且越来越不能适应集成电路按比例缩小的技术发展规律，尤其是不能很好地适用于3D集成电路。

传统的片上螺旋电感需要很大的面积，因此而成为了实现片上电感式DC-DC转换器的主要限制因素。片上DC-DC转换器在很大程度上减少了引脚数，降低了封装寄生效应和外部环境的影响。与对应的线性和电容式片上DC-DC转换器相比，电感式片上DC-DC转换器的优点是在大负载电流情况下能够获得高效率。然而，用来实现这些转换器的电感消耗了大量的金属资源。另外，对于螺旋电感来说，为了电磁屏蔽需要特殊的RF工艺，进一步增加了金属面积的消耗。

另一方面，三维集成电路(3D IC)技术需要增加集成密度，减少互连长度和功耗。在三维集成电路中用于传输垂直信号和功率、提供热路径的TSV是庞大的，大小通常是标准单元的5-10倍。另外，在三维集成电路中需要插入很多虚设的TSV满足最小密度原则以获得高的成品率，这些虚设的TSV进一步增加了资源消耗。

发明内容

为了克服已有DC-DC降压转换器的纹波较大、稳压精度不高、不能适用于3D集成电路的不足,本发明提供了一种纹波较小、稳压精度较高、有效适用于3D集成电路的硅穿孔电感应用于三维集成电路的电压稳压器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：