專利名稱：具有疊置式電壓域的電壓轉換和集成電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要地涉及電壓轉換技術并且更具體地涉及一種具有疊置式電壓域、電壓電平移位和電壓穩(wěn)定性的可逆電壓轉換系統(tǒng)和集成電路(IC)系統(tǒng)。
背景技術：
功率管理已經變成高級計算架構(包括高端微處理器系統(tǒng)和移動電子設備)的一個關鍵組成。然而，現(xiàn)有片上解決方案在同時實現(xiàn)高輸出電流和高功率轉換效率時的成就有限。具體而言，用于CMOS (互補金屬氧化物半導體)技術的標稱電源電壓(Vdd)值已經由于性能和功率升級而在過去數(shù)年內逐漸減少。反之，維持功率遞送系統(tǒng)中的效率又已經隨著Vdd等比下降而變得更困難。在Vdd = 1伏(V)處，從外部電源到在Vdd操作的電路的能量損耗明顯。由于在遞送電網上的功率損耗與電壓的平方(V2)成反比，所以關于功率遞送的效率問題對于所謂“低” Vdd電路(例如約300-500毫伏(mV))而言進一步惡化。因而期望能夠提供用于集成電路設備的改進型電壓轉換系統(tǒng)和改進型整體系統(tǒng)功率管理。

發(fā)明內容
在一個示例性實施例中，一種集成電路(IC)系統(tǒng)，包括多個IC，相對于外部電源電壓被配置為疊置式電壓域布置，使得多個IC中的至少一個IC的低側供電軌與多個IC中的至少另一 IC的高側供電軌共用；可逆電壓轉換器，其耦合到多個IC中的每個IC的功率軌，該電壓轉換器被配置用于穩(wěn)定與每個IC對應的個體電壓域；以及一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器，其被配置成支持在操作于不同電壓域中的IC之間的數(shù)據(jù)通信，其中與第一電壓域中的一個電壓對應的給定邏輯狀態(tài)的輸入信號移位為處于第二電壓域中的另一電壓的相同邏輯狀態(tài)的輸出信號。在另一實施例中，一種數(shù)據(jù)電壓電平移位裝置，包括反相器，其接收給定邏輯狀態(tài)的輸入信號，該輸入信號源自在第一電壓域中操作的第一集成電路器件；交叉耦合鎖存器器件，其產生相同邏輯狀態(tài)的輸出信號，輸出信號用于由在第二電壓域中操作的第二集成電路器件使用；以及電容器，其將輸入信號的反相值動態(tài)耦合到鎖存器器件的第一節(jié)點， 使得鎖存器器件的第二互補節(jié)點對應于用于在第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)。在另一實施例中，一種可逆切換式電容器電壓轉換裝置，包括相互分級耦合的多個單獨單位單元，其中每個單位單元包括被配置為疊置式配置的多組反相器器件，使得每組反相器器件在單獨的電壓域中操作，其中在相鄰電壓域中的反相器器件的輸出相互電容耦合；并且其中多個個體單位單元中的至少一個單位單元的輸出適于作為用于多個個體單位單元中的至少另一單位單元的對應輸入。在另一實施例中，一種調節(jié)集成電路(IC)系統(tǒng)的電流、功率和電壓電平的方法， 包括相對于外部電源電壓將多個IC配置為疊置式電壓域布置，使得多個IC中的至少一個IC的低側供電軌與多個IC中的至少另一 IC的高側供電軌共用；將可逆電壓轉換器耦合到多個IC中的每個IC的功率軌，該電壓轉換器被配置用于穩(wěn)定與每個IC對應的個體電壓域；以及設置可逆電壓轉換器的時鐘頻率以便在IC系統(tǒng)中選擇性地至少在不同于多個IC 中的每個IC利用基本上相同電流的第一功率模式的以下功率模式中操作第二功率模式， 其中多個IC中的每個IC在基本上相同的電壓處操作；以及第三功率模式，其中多個IC耗散基本上相同數(shù)量的功率。在又一實施例中，一種在集成電路器件之間實施的數(shù)據(jù)電壓電平移位的方法，包括將給定邏輯狀態(tài)的輸入信號耦合到在第一電壓域中操作的反相器，輸入信號源自在第一電壓域中操作的第一集成電路器件；從在第二電壓域中操作的交叉耦合鎖存器器件生成相同邏輯狀態(tài)的輸出信號，輸出信號用于由在第二電壓域中操作的第二集成電路器件使用；并且經過電容器將輸入信號的反相值動態(tài)耦合到鎖存器器件的第一節(jié)點，使得鎖存器器件的第二互補節(jié)點對應于用于在第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)


參照以下示例附圖，其中在若干幅圖中相似元件編號相似圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有疊置式電壓域、電壓電平移位和電壓穩(wěn)定性的集成電路(IC)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的可以在圖1的數(shù)據(jù)電壓電平移位器中包括的示例電壓電平移位器電路的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的可以在圖1的數(shù)據(jù)電壓電平移位器中包括的另一示例電壓電平移位器電路的示意圖；圖4是具有對應2 1切換式電容器電壓轉換器的疊置式IC系統(tǒng)的兩域例子的示意圖；圖5是圖示了相對于圖4的第一集成電路IC-I和第二集成電路IC-2實施恒定功率操作的例子的表；圖6是圖示了相對于圖4的第一集成電路IC-I和第二集成電路IC-2實施恒定功率操作的另一例子的表；圖7是使用切換式電容器電壓轉換器的單相電壓轉換系統(tǒng)的示意圖；圖8是具有對應3 1切換式電容器電壓轉換器的疊置式IC系統(tǒng)的多相三域例子的示意圖；圖9(a)是電壓轉換器單元的示意圖；圖9(b)是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的如圖9(a)中所示切換式電容器電壓轉換器單元鏈的示意圖；圖10是3節(jié)點可逆切換式電容器電壓轉換器的示意圖；圖11是4節(jié)點可逆切換式電容器電壓轉換器的示意圖；圖12(a)至12(c)是分別具有3、4和5個節(jié)點的示例可逆切換式電容器電壓轉換器系統(tǒng)的示意圖；圖13是可逆切換式電容器電壓轉換器系統(tǒng)的示意圖；圖14是另一可逆切換式電容器電壓轉換器系統(tǒng)的示意圖15(a)至15(d)是可以被并入到圖13和圖14中所示系統(tǒng)中的示例電壓轉換器單元的示意圖；圖16是具有非重疊激勵信號示例生成的電壓轉換器單元的示意圖；并且圖17是代表在疊置式電壓域上操作也在物理上豎直疊置的IC的示意圖。
具體實施例方式在此公開一種具有疊置式電壓域、電壓電平移位和電壓穩(wěn)定性的集成電路(IC) 系統(tǒng)。簡言之，公開的系統(tǒng)的示例實施例包括在劃分的和串行疊置的電壓域中操作的多個 IC，其中每個域具有與標稱電源電壓值(Vdd)大致上相等的兩端電壓降。例如，第一集成電路在接地點與Vdd之間的電壓域內操作，第二集成電路在Vdd與約2*Vdd之間的電壓域內操作，而第三集成電路在2*Vdd與約3*Vdd之間的電壓域內操作。然而，還可以想到其他疊置式 IC。雖然所公開系統(tǒng)的大部分功率可以直接經過IC下傳，但是使用可逆切換式電容器電壓轉換系統(tǒng)來穩(wěn)定劃分的電壓域，如下文進一步具體描述的那樣。除了可逆電壓轉換器(其中在域中的電壓節(jié)點可以代表輸入電壓或者輸出電壓)之外，系統(tǒng)也以如下高速電壓電平移位器為特征，該移位器用于在操作于不同電壓域中的IC之間的數(shù)據(jù)通信。另外，可逆切換式電容器電壓轉換器的實施例包括除切換式電容器之外的在劃分的和串行疊置的電壓域中操作的IC。切換式電容器的一個端子在一個電壓域中，而切換式電容器的其它另一端子在另一電壓域中。最初參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有疊置式電壓域、電壓電平移位和電壓穩(wěn)定性的集成電路(IC)系統(tǒng)100的示意圖。具體而言，系統(tǒng)100包括相對于電源配置被配置為疊置式布置的多個集成電路102(在圖1中各自標示為IC-l、IC-2和IC-3)，其中用于IC-I的高側供電軌與用于IC-2的低側供電軌共用，而用于IC-2的高側供電軌與用于IC-3的低側供電軌共用。然而，每個IC 102各自按照在其相應功率軌兩端的大約相同電壓值(Vdd)操作。在所描繪的例子中，圖示了這三個電壓域(即Vl至V0、V2至Vl和V3 至V2，其中VO = 0、Vl Vdd、V2 2*Vdd并且V3 3*Vdd)，盡管將理解也可以在系統(tǒng)內配置甚至更多電壓域和集成電路。如上文所示，可逆電壓轉換器104穩(wěn)定系統(tǒng)100的電壓域。 電流可以在可逆電壓轉換器的四個電壓節(jié)點(V0、V1、V2和V； )中的每個電壓節(jié)點中在兩個方向上流動?？赡骐妷恨D換器104的一個示例實施例為多節(jié)點切換式電容器電壓轉換器， 而可逆電壓轉換器104的另一示例實施例可以是一個或者多個同步降壓轉換器。在一個實際系統(tǒng)實施方式中，期望在各種IC 102之間傳送數(shù)據(jù)。假如存在隨著IC 而不同的電壓域，在系統(tǒng)100內也包括數(shù)據(jù)電壓電平移位器106，使得例如來自Vl至接地點的電壓域中的IC-I的邏輯數(shù)據(jù)可以由在V2至Vl的電壓域中IC-2解析，反之亦然。類似地，來自V2至Vl的電壓域中的IC-2的邏輯數(shù)據(jù)可以由V3至V2電壓域中的IC-3解析，反之亦然。圖2是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的可以在圖1的數(shù)據(jù)電壓電平移位器106內包括的示例電壓電平移位器電路200的示意圖。在所描繪的例子中，電路200從較低電壓域向較高電壓域轉換數(shù)據(jù)轉變。更具體地說，電路200將來自第一電壓域(VI至接地點)的輸入數(shù)據(jù)轉換成用于在第二電壓域(V2至VI)中使用的輸出數(shù)據(jù)。例如，如果Vdd= 1.0V，則以下值適用第一電壓域中的邏輯“0”對應于0V，第一電壓域中的邏輯“1”對應于1.0V，第二電壓域中的邏輯“0”對應于1. 0V，而第二電壓域中的邏輯“1”對應于2. 0V。電路200包括在第二電壓域中操作的交叉耦合鎖存器器件202(實質上為SRAM 單元拓撲)，在第一電壓域中操作的反相器204，以及將輸入數(shù)據(jù)(DataJ)I)的反相值動態(tài)耦合到鎖存器器件202的第一(內部)節(jié)點206的電容器C。鎖存器器件202的第二(外部)互補節(jié)點208代表用于在第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)(Data_12)。還應注意，圖 2中所示針對NFET和PFET器件的相對器件強度(作為接通電阻R。n的因子)僅為舉例，并且將不理解為任何限制意義。在操作中，當輸入數(shù)據(jù)(DataJ)I)的值從邏輯0向邏輯1 (即從OV向1. 0V)轉變時，反相器204使電容器C的下部電極從1.0V電勢向接地點(OV)電勢轉變。假設輸出數(shù)據(jù)(Data_12)的初始狀態(tài)在轉變時為邏輯0 (即第二電壓域中的1. 0V)，內部節(jié)點206初始處于2. OV的邏輯高狀態(tài)。這意味著，在電容器C兩端的電壓初始為2. 0V-1. OV = 1. 0V。由于電容器電壓未瞬時改變，因此上部電極隨著下部電極的電勢向1. OV降低。因而，外部節(jié)點208繼而向2. OV的邏輯高度拉高，這加劇了向1. OV下拉內部節(jié)點206。另一方面，如果鎖存器202的輸出數(shù)據(jù)(Data_12)的初始狀態(tài)在輸入數(shù)據(jù) (DataJ)I)從0向1的相同轉變期間已經處于邏輯1 (2. 0V)，則初始時電容器兩端不會存在凈電壓。因此，在電容器C的下部電極耦合到接地點時，初始將把電容器的上部電極拉向接地點這一事實也不會改變鎖存器202的邏輯狀態(tài)。相反，柵極與內部節(jié)點206耦合的PFET 將被轉變得甚至更強，并且鎖存器202將加強維持內部節(jié)點206上的1. 0V,由此將電容器C 充電上至1. 0V。相反，當輸入數(shù)據(jù)(DataJ)I)從1向0轉變(并且假設原始狀態(tài)輸出數(shù)據(jù) (Data_12)處于2. 0V)時，電容器C的下部電極從地電勢切換為1. 0V。同樣，由于在電容器 C兩端的1. OV凈電壓沒有瞬時改變，所以耦合到內部節(jié)點206的C的上部電極嘗試“跟隨” 下部電極從1. OV至2. OV0這轉而又使外部節(jié)點上的電壓從2. OV向1. OV轉變，由此加強內部節(jié)點206上的2. OV值。如果鎖存器202的輸出數(shù)據(jù)(Data_12)的初始狀態(tài)在輸入數(shù)據(jù)(Data_01)從1向 0的相同轉換期間已經處于邏輯0(1. 0V)，則在電容器C兩端的電壓最初將是2. 0V。因此， 在電容器C的下部電極耦合到1. OV時，電容器的上部電極將初始嘗試升向3. OV不會改變鎖存器202的邏輯狀態(tài)。相反，柵極與內部節(jié)點206耦合的NFET甚至將被轉變得更強，并且鎖存器202將加強維持內部節(jié)點206上的2. 0V。由此將電容器放電下至1. 0V。除了將數(shù)據(jù)(及其邏輯值的轉變)從較低電壓域移位到較高電壓域之外，還可以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)(及其邏輯值的轉變)從較高電壓域移位到較低電壓域。圖3是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的可以在圖1的數(shù)據(jù)電壓電平移位器106內包括的另一示例電壓電平移位器電路 300的示意圖。在描繪的例子中，電路200從較高電壓域向較低電壓域轉換數(shù)據(jù)轉變。甚至更具體而言，電路300將來自第二電壓域Q*Vdd至Vdd)的輸入數(shù)據(jù)轉換成用于在第一電壓域(Vdd至接地點)中使用的輸出數(shù)據(jù)。電路300包括在第一電壓域中操作的交叉耦合鎖存器器件302(實質上為SRAM 單元拓撲)，在第二電壓域中操作的反相器304，以及將輸入數(shù)據(jù)(Data_12)的反相值動態(tài)耦合到鎖存器器件302的第一(內部)節(jié)點306的電容器C。鎖存器器件302的第二(外部)節(jié)點308代表用于在第一電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)(Data_01)。同樣，還應注意， 圖3中所示用于NFET和PFET器件的相對器件強度(作為接通電阻R。n的因子)僅為舉例， 并且將不理解為任何限制意義。由于電路300的操作基本上類似于電路200的操作，所以省略對相同操作的具體說明。然而，概括而言，輸入數(shù)據(jù)(Data_12)在第二電壓域中從邏輯0向邏輯1 (1. OV至 2. 0V)的轉變造成輸出數(shù)據(jù)(DataJ)I)在第一電壓域中從邏輯0向邏輯1 (0V至1. 0V)的對應改變。反之，輸入數(shù)據(jù)(Data_12)在第二電壓域中從邏輯1向邏輯0 (2. OV至1. 0V)的轉變造成輸出數(shù)據(jù)(DataJ)I)在第一電壓域中從邏輯1向邏輯0 (IV至0V)的對應改變。除了支持在疊置式電壓域內在集成電路之間的通信之外，這種電壓電平移位電路 200、300也允許在不同電壓電平操作的同步時鐘，這些時鐘反過來又用于切換式電容器電壓轉換器。這種電壓轉換器(例如圖1中的轉換器104)還可以有利地被用來相對于駐留在不同電壓域中的多個IC之間的不同負載而實施一個或者多個功率調節(jié)模式。舉例而言，圖4是具有對應2 1切換式電容器電壓轉換器404的疊置式IC系統(tǒng) 400的雙域(two-domain)例子的示意圖。在實際系統(tǒng)中，完全可設想IC-I和IC-2例如由于晶體管器件閾值電壓(Vt)變化或者活動變化而可以具有不同負載。在這種情況下，可以用適應IC-I和IC-2的需要的方式使用可逆電壓轉換器404。特別地，可以通過改變轉換器時鐘頻率(即轉換器開關信號小工和$2交替地開啟和關斷轉換器開關的速率)來實現(xiàn)若干功率調節(jié)模式。例如，為了提供經過IC-I和IC-2的基本上相同電流值，將轉換器頻率設置成0(即實質上失活)以防止電流從任一串聯(lián)連接IC分流。在另一極端情況，為了建立在IC-I和IC-2兩端的基本上相同操作電壓，轉換器的時鐘頻率應當接近于無窮。又一可能操作模式是通過將時鐘頻率設置成某一中間值來平衡IC-I和IC-2的功率使用。更一般而言，對于任何所需電流和電壓關系，電流對于IC-I和IC-2負載而言與V15成比例。圖5是圖示了參照圖4的第一集成電路IC-I和第二集成電路IC-2實施恒定功率操作的例子的表。在該例子中，Rl > R2，其中Rl為IC-I的負載電阻(例如1 Ω)，R2為 IC-2的負載電阻(例如0.8Ω)，并且外部電源的操作電壓為V2 = 1.8V。在未使用調節(jié)器時，在IC-I兩端的所得電壓為Vl = 1. 0V(1. OA的相同電流流過 IC-I和IC-2)；因此，IC-2耗散的功率為P2 = 0. 8W，而IC-I耗散的功率為Pl = 1. OW (因為P = I2R并且Il = 12 = 1. OA)。這代表IC-I和IC-2耗散的功率相差20%。相反，通過使用可逆電壓轉換器，在IC-I兩端的電壓可以下調至Vl = 0. 95V，因此在IC-2兩端的電壓可以上調至Vdd2 = V2-V1 = 0. 85V。因而，IC-I和IC-2不再傳遞相同量值的電流(經過IC-2的電流從1. OA增加至1. 0625A，而經過IC-I的電流從1. OA減少至0. 95A)，因此P2 = Pl = O. 903W。圖6是代表在無電壓調節(jié)時的功率耗散差與通過電壓調節(jié)的功率耗散平衡之間的比較的另一個表。在該例子中，相同參數(shù)值僅對于Rl < R2而言這時Rl = 0. 8Ω和R2 = 1.0Ω。概括而言，在無電壓調節(jié)時，IC-2耗散1.0W，而IC-I耗散0. 8W，從而表示20% 功率差。通過使用可逆電壓轉換器，在IC-I兩端的電壓可以上調至Vl = 0. 85V，而在IC-2 兩端的電壓因此下調至Vdd2 = V2-V1 = 0. 95V。因而IC-I和IC-2不再傳遞相同量值的電流(經過IC-2的電流從1. OA減少至0. 95A，而經過IC-I的電流從1. OA增加至1. 0625A)， 因此 P2 = Pl = 0. 903W。
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在圖7中示出了示例單相電壓切換式電容器電壓轉換器700的示意圖以及關聯(lián)電壓和時序圖。參照圖8，示出了使用切換式電容器電壓轉換器的示例多相電壓轉換系統(tǒng)800 的示意圖。系統(tǒng)800是三節(jié)點可逆電壓轉換器、具有V2、V1和VO (例如，地平面)的電網并且適合于與具有疊置式電壓域的多IC器件系統(tǒng)一起使用。實施了時鐘生成器802。時鐘劃分器和時鐘相位生成器804從時鐘生成器802接收輸入時鐘信號并且生成具有多個相位的輸出時鐘信號。在描繪的示例實施例中，在圖8中生成標示為ΦΙ、Φ2、Φ3和Φ4的四個相位。假設來自時鐘生成器和時鐘劃分器的這些原始時鐘信號在Vl與接地點之間擺動，然后電平移位器806 (例如如圖1-3中所示)被用以生成在Vl與V2之間操作的時鐘信號以及用于在地平面與Vl之間操作的原時鐘信號的匹配延遲。這些重新生成的時鐘信號 (例如用于相位Φ1的信號ΦΡ2_” Φη2-” ΦΡ!-ο> Φη!-ο>)繼而耦合到比如上述圖7中所示的電壓轉換器808。同樣可以將該示例系統(tǒng)800擴展至用于3-到-1的電壓轉換或者更一般地為M-到-N的電壓轉換，其中可以使用用于中間電壓電平的電網。它還可擴展為與所需一樣多的時鐘相位?？梢栽谟?009年2月25日提交的第12/392，476號共同未決申請中找到對電壓轉換器電路的操作和拓撲進行描述的附加信息，其內容整體并入于此。用包括時鐘生成、時鐘劃分器和相位生成、電平移位和延遲匹配的更傳統(tǒng)控制方案實施圖8中所示切換式電容電壓轉換器。為了提高轉換效率，通過明顯減少或者消除控制電路開銷的新穎拓撲和方法如下文討論的那樣使用于操作控制電路的功率消耗開銷最少。基于圖7中所示轉換器拓撲，在圖9(a)中示出了修改版本。在圖9(a)的電容器電壓轉換器902中，包括Pl和m的下部反相器在VO與Vl之間的第一電壓域中操作，而包括P2和N2的上部反相器在Vl與V2之間的第二電壓域中操作。電壓轉換器902代表用于操作在疊置式電壓域的多相系統(tǒng)的基本塊或者單位單元。與如圖7中所示將非重疊激勵信號用于P2和N2對比，在圖9(a)的實施例中向P2和N2施加共同激勵信號。這里，P2和N2 的晶體管閾值電壓可以有利地選擇成大于在電壓域兩端的電壓降的一半，使得P2和N2不被同時接通。類似技術應用于Pl和附。通過比較，圖9(b)圖示了單位單元904的開端鏈，其中每個單位單元驅動下一單位單元。激勵信號僅用于第一單元而不是讓單獨激勵器信號用于每個單位單元。這樣，圖 8中所示控制機制與傳統(tǒng)控制機制相比更簡易從而帶來明顯的功率節(jié)省?？梢杂萌魏纹鏀?shù)個反相級形成環(huán)形振蕩器。如圖10中所示，用3節(jié)點轉換器單元形成示例環(huán)形振蕩器結構1000，其中每個單位單元驅動下一單位單元。這形成3節(jié)點(V2、 Vl和GND)可逆電壓轉換器系統(tǒng)。在圖11中示出了 4節(jié)點(V3、V2、V1和GND)可逆電壓轉換器系統(tǒng)1100，該系統(tǒng)包括具有奇數(shù)個4節(jié)點電壓轉換器單元(每個單元驅動下一單元) 的環(huán)形振蕩器結構。通過將環(huán)形振蕩器結構與電壓轉換器本身的單位單元集成，完整電壓轉換器系統(tǒng)由電壓轉換單位單元形成而無針對附加控制電路的任何布局和功率開銷。主要參照圖12(a)至12 (c)，將了解上文公開的電壓轉換器包括在疊置式電壓域上操作的電路塊。例如，圖12(a)描繪了可以視為分別在VO至Vl和Vl至V2這兩個電壓域上操作的兩個環(huán)形振蕩器的3節(jié)點系統(tǒng)1200。圖12(b)圖示了可以視為分別在VO至VI、 Vl至V2和V2至V3這三個電壓域上操作的三個環(huán)形振蕩器的4節(jié)點系統(tǒng)1220。圖12 (c)圖示了可以視為分別在VO至V1、V1至V2、V2至V3和V3至V4這四個電壓域上操作的三個環(huán)形振蕩器的5節(jié)點系統(tǒng)1240。將在N個疊置式電壓域上構建具有N+1個節(jié)點的可逆切換式電容器電壓轉換器。一般而言，所公開的方法使用電壓轉換器以在疊置式電壓域上操作并且以一個單元在環(huán)形振蕩器結構中或者在開端鏈結構中驅動另一單元這樣的方式生成輸入/輸出信號。在圖13中示出了示例環(huán)結構1300，其中假設系統(tǒng)具有奇數(shù)個反相級，則無需附加電路以用于電壓轉換器工作。在圖14中示出了開端鏈結構1400，其中Φ1和Φ2是用于兩個示例開鏈的初始輸入。一般而言，可以通過比如圖8中所示傳統(tǒng)控制方案生成一個或者多個初始輸入激勵信號。對于圖13中所示環(huán)結構1300和圖14中所示開鏈結構1400，可以構造各種電壓轉換器單元以求折衷和設計效率。圖15(a)至15(d)圖示了這種3節(jié)點轉換器的一些例子。 然而將理解還可以構造η節(jié)點單位單元。例如，圖15(a)是更早地也在圖9(a)中示出的轉換器1500的最簡易版本。在圖15(b)至15(d)中以及在圖16中呈現(xiàn)關于這一設計的變化。如具體在圖15(b)中所示，可以通過插入延遲元件(緩沖器)來控制環(huán)形振蕩器 1520的時鐘頻率。可以例如通過使用附加偏置電壓在設計上固定或者在操作時改變延遲時間量。更一般而言，可以用包括任何數(shù)目的電壓轉換器單位單元和任何數(shù)目的其它緩沖器或者反相器的任何奇數(shù)個反相級形成環(huán)形振蕩器。用于控制時鐘頻率的技術類似于在壓控振蕩器(VCO)電路中使用的技術并且為VCO設計領域技術人員所理解。同樣可以分別針對圖15(c)和圖15(d)中所示轉換器1Μ0、1560的每個切換器件生成單獨激勵信號。該拓撲的一個目的在于生成非重疊信號。在參照圖9(a)的上文描述中，使用閾值電壓控制方法，使得在每對中的PFET和NFET不被同時導通。在圖16中示出了具有非重疊激勵信號的電壓轉換器單元1600的又一備選實施例。通過變化NFET/PFET 器件的寬度比來偏斜上升和下降轉變時間，因而可以生成并且向每個FET應用非重疊激勵信號。因而將理解在此描述的集成電路實施例可以解釋為任何電路塊、微處理器核和任何其它邏輯或者物理電路單元。它們可以在同一物理芯片或者不同芯片上。當實施于同一芯片上時，使用絕緣體上硅(SOI)技術特別有利，或者備選地，使用三層阱體堆積技術是可能的。當實施于不同芯片上時，可以在物理上疊置電壓域。為此，圖17示出了芯片1700在還在物理上豎直疊置的疊置式電壓域上的配置，這可以是一種用于3D集成電路技術的優(yōu)選功率遞送方法。盡管已經參照一個或者多個優(yōu)選實施例描述本發(fā)明，但是本領域技術人員將理解可以進行各種改變并且等效要素可以取代其要素而不脫離本發(fā)明的范圍。此外，可以進行許多修改以使具體情形或者材料適應本發(fā)明的教導而不脫離其實質范圍。因此，旨在于讓本發(fā)明不限于作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權利要求的范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種集成電路(IC)系統(tǒng)，包括多個IC，其相對于外部電源電壓被配置為疊置式電壓域布置，使得所述多個IC中的至少一個IC的低側供電軌與所述多個IC中的至少另一個IC的高側供電軌共用；可逆電壓轉換器，其耦合到所述多個IC中每個IC的功率軌，所述電壓轉換器被配置用于穩(wěn)定與每個IC對應的單獨電壓域；以及一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器，其被配置用于支持在操作于不同電壓域中的IC 之間的數(shù)據(jù)通信，其中與第一電壓域中的一個電壓對應的給定邏輯狀態(tài)的輸入信號被移位為處于第二電壓域中的另一電壓的相同邏輯狀態(tài)的輸出信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中對于總數(shù)為N的疊置式IC，在所述系統(tǒng)中有N個電壓域；所述多個IC被串行疊置在處于電壓值N*Vdd的高電壓軌與接地點之間，其中Vdd表示所述IC中的給定IC的標稱操作電壓；以及其中最低電壓域在Vdd與接地點之間操作，次最低電壓域在2*Vdd與Vdd之間操作，并且其中最高電壓域在N*Vdd與(N-I) *Vdd之間操作。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器進一步包括反相器，其在所述第一電壓域中操作，接收給定邏輯狀態(tài)的所述輸入信號； 交叉耦合鎖存器器件，其在所述第二電壓域中操作，產生相同邏輯狀態(tài)的所述輸出信號；以及電容器，其將所述輸入信號的反相值動態(tài)地耦合到所述鎖存器器件的第一節(jié)點，使得所述鎖存器器件的第二互補節(jié)點對應于用于在所述第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器操作以用于跨不同電壓域而傳送數(shù)據(jù)從邏輯高向邏輯低和從邏輯低向邏輯高的轉變。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述可逆電壓轉換器被配置用于選擇性地至少在以下功率模式中操作第一功率模式，其中所述多個IC中的每個IC利用基本相同的電流； 第二功率模式，其中所述多個IC中的每個IC在基本上相同的電壓處操作；以及第三功率模式，其中所述多個IC耗散基本上相同量的功率。
6.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述第一功率模式、第二功率模式和第三功率模式取決于所述切換式電容器電壓轉換器的時鐘頻率。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個IC置于共用芯片上。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述共用芯片包括絕緣硅(SOI)技術和三層阱體堆積技術之一。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個IC包括相對于彼此豎直疊置的單獨芯片。
10.一種數(shù)據(jù)電壓電平移位裝置，包括反相器，其接收給定邏輯狀態(tài)的輸入信號，所述輸入信號源自在第一電壓域中操作的第一集成電路器件；交叉耦合鎖存器器件，其產生相同邏輯狀態(tài)的輸出信號，所述輸出信號用于由在第二電壓域中操作的第二集成電路器件使用；以及電容器，其將所述輸入信號的反相值動態(tài)地耦合到所述鎖存器器件的第一節(jié)點，使得所述鎖存器器件的第二互補節(jié)點對應于用于在所述第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其中所述數(shù)據(jù)電壓電平移位裝置操作以用于跨不同電壓域而傳送數(shù)據(jù)從邏輯高向邏輯低和從邏輯低向邏輯高的轉變。
12.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其中所述第二電壓域高于所述第一電壓域。
13.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其中所述第一電壓域高于所述第二電壓域。
14.一種可逆的切換式電容器電壓轉換裝置，包括相互分級耦合的多個個體單位單元，其中每個單位單元包括被布置為疊置式配置的多組反相器器件，使得每組反相器器件在獨立電壓域中操作，其中相鄰電壓域中的反相器器件的輸出彼此電容耦合；以及其中所述多個個體單位單元中的至少一個單位單元的輸出充當用于所述多個個體單位單元中的至少另一單位單元的對應輸入。
15.根據(jù)權利要求14所述的裝置，其中所述多個個體單位單元中的最后單位單元的輸出包括向環(huán)形振蕩器類型結構的所述多個個體單位單元中的第一單位單元的輸入。
16.根據(jù)權利要求14所述的裝置，其中向所述多個單獨單位單元中的第一單位單元的輸入包括控制信號。
17.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其中向所述多個單獨單位單元中的所述第一單位單元的所述輸入被禁止允許同時導通每個電壓域中的反相器器件的PFET器件和NFET器件。
18.根據(jù)權利要求17所述的裝置，其中向所述多個個體單位單元中的所述第一單位單元的每個輸入被耦合到在所述對應電壓域中操作的緩沖器器件，其中每個緩沖器器件的輸出充當向所述對應電壓域中的所述反相器器件的輸入。
19.根據(jù)權利要求18所述的裝置，對于每個電壓域，還包括與所述反相器器件的PFET 耦合的第一緩沖器器件和與所述反相器器件的NFET耦合的第二緩沖器器件。
20.根據(jù)權利要求18所述的裝置，其中所述第一緩沖器器件和第二緩沖器器件各自包括反相器對，其中所述反相器對中的第一反相器具有較大的NFET/PFET器件寬度比，并且所述反相器對中的第二反相器具有較大的PFET/NFET器件寬度比。
21.一種調節(jié)集成電路(IC)系統(tǒng)的電流、功率和電壓電平的方法，所述方法包括相對于外部電源電壓將多個IC配置為疊置式電壓域布置，使得所述多個IC中的至少一個IC的低側供電軌與所述多個IC中的至少另一 IC的高側供電軌共用；將可逆電壓轉換器耦合到所述多個IC中每個IC的功率軌，所述電壓轉換器被配置用于穩(wěn)定與每個IC對應的個體電壓域；以及設置所述可逆電壓轉換器的時鐘頻率，以便在所述IC系統(tǒng)中選擇性地至少在不同于所述多個IC中的每個IC利用基本上相同電流的第一功率模式的以下功率模式中操作第二功率模式，其中所述多個IC中的每個IC在基本上相同的電壓處操作；以及第三功率模式，其中所述多個IC耗散基本上相同量的功率。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中對于總數(shù)為N的疊置式IC，在所述系統(tǒng)中存在 N個電壓域。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述多個IC被串行疊置于處于電壓值N*Vdd的高電壓軌與接地點之間，其中Vdd表示所述IC中的給定IC的標稱操作電壓；以及其中最低電壓域在Vdd與接地點之間操作，次最低電壓域在2*Vdd與Vdd之間操作，并且其中最高電壓域在N*Vdd與(N-I) *Vdd之間操作。
24.根據(jù)權利要求22所述的方法，還包括配置一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器，所述數(shù)據(jù)電壓電平移位器被配置用于支持在操作于不同電壓域中的IC之間的數(shù)據(jù)通信，其中與第一電壓域中的一個電壓對應的給定邏輯狀態(tài)的輸入信號移位到處于第二電壓域中的另一電壓的相同邏輯狀態(tài)的輸出信號。
25.一種在集成電路器件之間實施數(shù)據(jù)電壓電平移位的方法，所述方法包括將給定邏輯狀態(tài)的輸入信號耦合到在第一電壓域中操作的反相器，所述輸入信號源自在所述第一電壓域中操作的第一集成電路器件；從在第二電壓域中操作的交叉耦合鎖存器器件生成相同邏輯狀態(tài)的輸出信號，所述輸出信號用于由在所述第二電壓域中操作的第二集成電路器件使用；以及通過電容器將所述輸入信號的反相值動態(tài)地耦合到所述鎖存器器件的第一節(jié)點，使得所述鎖存器器件的第二互補節(jié)點對應于用于在所述第二電壓域中使用的移位輸出數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種集成電路(IC)系統(tǒng)包括多個IC，被配置為疊置式電壓域布置，使得至少一個IC的低側供電軌與至少另一IC的高側供電軌共用；可逆電壓轉換器，耦合到多個IC中的每個IC的功率軌，該可逆電壓轉換器被配置用于穩(wěn)定與每個IC對應的個體電壓域；以及一個或者多個數(shù)據(jù)電壓電平移位器，配置用于支持在操作于不同電壓域中的IC之間的數(shù)據(jù)通信，其中與第一電壓域中的一個電壓對應的給定邏輯狀態(tài)的輸入信號移位到處于第二電壓域中的另一電壓的相同邏輯狀態(tài)的輸出信號。
文檔編號G06F13/36GK102362266SQ201080012929
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權日2009年4月13日
發(fā)明者B·L·季, R·H·登納德 申請人:國際商業(yè)機器公司