專利名稱：電源電路和半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源電路和半導(dǎo)體集成電路(半導(dǎo)體芯片)的設(shè)計(jì)方法。
近來(lái)，對(duì)降低半導(dǎo)體集成電路(半導(dǎo)體芯片)功耗的需要一直在增長(zhǎng)。為了降低功耗，有效的辦法是減小電壓。目前業(yè)已采用了僅僅減小內(nèi)部電路電壓的方法，該方法不減小整個(gè)半導(dǎo)體集成電路的電壓，以便保持外部接口的兼容性。這需要有多個(gè)電源一個(gè)用于外部接口，另一個(gè)用于內(nèi)部電路。但是，使用多個(gè)電源提高了成本。為了降低成本，有效的辦法是采用一種芯片內(nèi)電源，其中有一電源電路(下文稱為DC/DC轉(zhuǎn)換電路)，其輸入是外部接口的電壓，其輸出是內(nèi)部電路的電壓，該電源構(gòu)建于一半導(dǎo)體集成電路內(nèi)。象這樣的DC/DC轉(zhuǎn)換電路、三端調(diào)節(jié)器、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器等等都是公知的。
如果將一DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝在半導(dǎo)體芯片上，那么用戶(設(shè)計(jì)者)無(wú)需在板上設(shè)置一專用線來(lái)提供一外部電源電壓。但是，這有如下兩個(gè)問(wèn)題1)生產(chǎn)一種高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，該電路與設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力無(wú)關(guān)。
當(dāng)將一DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝到半導(dǎo)體芯片上時(shí)，如果一位設(shè)計(jì)者新近設(shè)計(jì)了一種DC/DC轉(zhuǎn)換電路，那么半導(dǎo)體電路中的線路電阻很高，并且難以提高功率轉(zhuǎn)換效率。此外，對(duì)于一開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，從轉(zhuǎn)換效率和開(kāi)關(guān)電路所產(chǎn)生的噪聲考慮，并不總是能夠生產(chǎn)一種高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，其所產(chǎn)生的噪聲因其結(jié)構(gòu)而具有基本的開(kāi)關(guān)噪聲且可能影響芯片的內(nèi)部電路。
當(dāng)采用一種DC/DC轉(zhuǎn)換電路的大元件(macro cell)時(shí)，甚至當(dāng)采用一種高性能大元件時(shí)，如果將DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)置在設(shè)有各種I/O元件區(qū)域(即，其中設(shè)有內(nèi)部電路的區(qū)域)以外的區(qū)域中，那么DC/DC轉(zhuǎn)換電路與電源焊盤之間的距離會(huì)增大，從而因此增大了線路電阻。所以，DC/DC轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率將很低。
總之，將一種高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝到芯片上很大程度上取決于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力。因此，很難保證能生產(chǎn)一種高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換電路而不依賴于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力(例如，不考慮設(shè)計(jì)者是否了解芯片內(nèi)電源)。
2)生產(chǎn)一種柔性高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，該電路滿足對(duì)系統(tǒng)LSI內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求而不會(huì)使設(shè)計(jì)者有負(fù)擔(dān)。
當(dāng)將一DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝到芯片上時(shí)，要求有一種柔性方案，這種方案滿足構(gòu)成系統(tǒng)LSI的多個(gè)功能塊的要求。例如，當(dāng)利用一功率調(diào)節(jié)電路PMC(功率調(diào)節(jié)電路)使多個(gè)功能塊(IP)配備有與每個(gè)功能塊的工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)功率調(diào)節(jié)時(shí)，需要把與功能塊相同數(shù)目的DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝到一芯片上。這種情況下，相對(duì)于一個(gè)功能塊設(shè)置一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換電路。如上所述，將一DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)置在芯片上可以降低該DC/DC轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率。很難在不增加設(shè)計(jì)步驟數(shù)目的情況下確定DC/DC轉(zhuǎn)換電路的適當(dāng)位置。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)依下列各項(xiàng)解決了上述問(wèn)題。把具有DC/DC轉(zhuǎn)換功能的DC/DC電源電路元件制作為一種I/O元件，以便當(dāng)確定半導(dǎo)體芯片上設(shè)置DC/DC電源電路元件的位置時(shí)，能夠以一種類似其他I/O元件的方式處理DC/DC電源電路元件。如這里所采用的一種I/O元件是指提供用作半導(dǎo)體芯片內(nèi)部電路的元件，它用來(lái)向一功能塊發(fā)出信號(hào)/從一功能塊接受信號(hào)。考慮到轉(zhuǎn)換效率和噪聲，可優(yōu)選的是預(yù)先生產(chǎn)一種具有高性能DC/DC轉(zhuǎn)換功能的DC/DC電源電路元件。在確定了DC/DC電源電路元件以類似其他I/O元件的方式設(shè)置在半導(dǎo)體芯片上的位置之后，利用一種自動(dòng)I/O元件排列工具把包括DC/DC電源電路元件的各種I/O元件排列在半導(dǎo)體芯片上。這解決了上述問(wèn)題(1)和(2)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種高效DC/DC轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)方法，該半導(dǎo)體芯片滿足半導(dǎo)體芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求，該方法不必使設(shè)計(jì)者有負(fù)擔(dān)。
根據(jù)本發(fā)明的一種電源電路形成于一半導(dǎo)體芯片上，該電源電路包括一輸出晶體管部分，它輸出一電源電壓；和一控制電路，它用來(lái)控制輸出晶體管部分。輸出晶體管部分設(shè)置在半導(dǎo)體芯片的外部輸入/輸出端附近，從而將實(shí)現(xiàn)上述目的。
輸出晶體管部分可以有一浪涌保護(hù)功能。
輸出晶體管部分可以包括一網(wǎng)式晶體管(mesh typetransistor)。
電源電路可以沿半導(dǎo)體芯片除其四角以外的周邊設(shè)置。
電源電路包括作為外部輸入/輸出端的以下各端用來(lái)輸出電源電壓的輸出端；用來(lái)將一電源電壓輸入給輸出晶體管部分的電源端；和用來(lái)將一地電壓輸入給輸出晶體管部分的接地端。電源端和接地端可以設(shè)置在輸出端附近。
電源電路包括作為外部輸入/輸出端的以下各端多個(gè)輸出端，用來(lái)輸出電源電壓；多個(gè)電源端，用來(lái)將一電源電壓輸入給輸出晶體管部分；和多個(gè)接地端，用來(lái)將一地電壓輸入給輸出晶體管部分。多個(gè)輸出端、多個(gè)電源端和多個(gè)接地端可以覆有一種相同的金屬。
半導(dǎo)體芯片可以設(shè)置得使接合線最短，該接合線將輸出晶體管部分與一封裝件連接在一起，該封裝件密封半導(dǎo)體芯片。
輸出晶體管部分和控制電路可以設(shè)置在I/O元件排列區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法包括以下步驟確定一半導(dǎo)體芯片上多個(gè)I/O元件所要排列的位置，這多個(gè)I/O元件包括至少一個(gè)第一種I/O元件和至少一個(gè)第二種I/O元件，第一種I/O元件具有將第一電源電壓轉(zhuǎn)換為第二電源電壓的電源電壓轉(zhuǎn)換功能，而第二種I/O元件具有與第一種I/O元件不同的功能；根據(jù)所確定的半導(dǎo)體芯片上的位置排列這多個(gè)I/O元件，以便實(shí)現(xiàn)上述目的。
至少一個(gè)第二種I/O元件包括一個(gè)用來(lái)輸入電源電壓的輸入電源焊盤元件(pad cell)。從第一種I/O元件中輸出的第二電源電壓可以受到一平滑電路的平滑處理，該平滑電路設(shè)置在半導(dǎo)體芯片的外部。該平滑電路所產(chǎn)生的電源電壓可以通過(guò)輸入電源焊盤元件輸入給半導(dǎo)體芯片。
輸入電源焊盤元件可以設(shè)置在被供給平滑電路所產(chǎn)生電源電壓的功能塊附近。
第一I/O元件可以有一控制端，該控制端用來(lái)輸入一控制信號(hào)，該控制信號(hào)表示要從多個(gè)電源電壓中產(chǎn)生的一個(gè)電源電壓。
第一I/O元件可以有一控制端，該控制端用來(lái)輸入一控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制是執(zhí)行還是停止電源電壓轉(zhuǎn)換功能。
半導(dǎo)體芯片的這種設(shè)計(jì)方法還包括將至少一個(gè)功能塊設(shè)置為半導(dǎo)體芯片的一個(gè)內(nèi)部電路的步驟。這至少一個(gè)功能塊可以包括一功率調(diào)節(jié)電路，該功率調(diào)節(jié)電路根據(jù)一預(yù)定功能塊的工作狀態(tài)改變與該功能塊相對(duì)應(yīng)的第一種I/O元件電源電壓轉(zhuǎn)換功能的模式。
第一種I/O元件可以包括一輸出晶體管部分和一控制部分，輸出晶體管部分用來(lái)將第一電源電壓轉(zhuǎn)換成第二電源電壓，而控制部分用來(lái)控制輸出晶體管部分。
第一種I/O元件的輸出晶體管部分可以有一浪涌保護(hù)功能。
第一種I/O元件的輸出晶體管部分可以包括一網(wǎng)式晶體管。


圖1是示出一種系統(tǒng)LSI結(jié)構(gòu)的圖，在該結(jié)構(gòu)上安裝有根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件各電路方框結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件各電路方框安排的圖。
圖4是示出一LSI布局的推薦實(shí)例，其上安裝有根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件。
圖5是一電路方框圖，根據(jù)本發(fā)明的示出用到一PRML讀取通道(Read channel)LSI時(shí)的DC/DC電源電路元件。
圖6示出用來(lái)確定各種I/O元件所要設(shè)置位置的過(guò)程流程。
圖7是示出內(nèi)部電路設(shè)置區(qū)域和I/O元件排列區(qū)域的圖。
圖8A是示出第一種I/O元件的電路圖。
圖8B是示出第二種I/O元件的電路圖。
圖9是明確示出圖8A所示第一種I/O元件中線路電阻的圖。
圖10是示出第二種I/O元件中輸出晶體管部分一個(gè)典型布局的圖。
圖11是示出第二種I/O元件中輸出晶體管部分另一典型布局的圖。
圖12A和12B每個(gè)都是示出圖8B所示第二種I/O元件的一個(gè)變化的圖。
圖13A和13B每個(gè)都是示出圖8B所示第二種I/O元件的另一變化的圖。
圖14是示出將半導(dǎo)體集成電路(芯片)設(shè)置在偏離封裝件中央的位置處的方法圖。
圖15是示出作為一DC/DC轉(zhuǎn)換電路用到一種三端調(diào)節(jié)型電路時(shí)的本發(fā)明的圖。
現(xiàn)在描述在一半導(dǎo)體芯片上排列DC/DC電源電路元件的方法，這些元件的每個(gè)都有一電源電壓轉(zhuǎn)換功能。DC/DC電源電路元件是一種I/O元件。這里所用的I/O元件是指作為半導(dǎo)體的內(nèi)部電路用來(lái)將一信號(hào)發(fā)給一功能塊或從該功能塊接收信號(hào)的元件。以一種類似用于其他I/O元件的方式確定DC/DC電源電路元件在半導(dǎo)體芯片上所要設(shè)置的位置。因此，可以利用一種市場(chǎng)上可買到的自動(dòng)I/O元件排列工具將DC/DC電源電路元件排列在一半導(dǎo)體芯片上。
圖1示出系統(tǒng)LSI1的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)LSI1形成于單獨(dú)一個(gè)半導(dǎo)體芯片10上。系統(tǒng)LSI1包括DC/DC電源電路元件11-14。這些DC/DC電源電路元件11-14是本發(fā)明電源電路的實(shí)施例。圖1中，將每個(gè)DC/DC電源電路元件11-14標(biāo)為“DC/DC”。
系統(tǒng)LSI1還包括一功率調(diào)節(jié)電路PMC(功率調(diào)節(jié)電路)21和作為內(nèi)部電路的IP(內(nèi)部IP芯)31-35。PMC21是執(zhí)行控制系統(tǒng)LSI1中功耗功能的功能塊。IP31-35每一個(gè)都是執(zhí)行預(yù)定功能的功能塊。
3.3V的電源通過(guò)輸入電源焊盤元件41從半導(dǎo)體芯片10的外部供給PMC21。PMC21能夠把從安裝在DC/DC電源電路元件11-13每一個(gè)上的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中輸出的電源電壓設(shè)定到2.53V或1.65V。通過(guò)輸入電源焊盤元件42-44，把從DC/DC轉(zhuǎn)換電路中輸出的電源電壓分別供給功能塊31-33每一個(gè)。
PMC21將控制信號(hào)Dcon、控制信號(hào)VoREQ和控制信號(hào)SYNC輸出給DC/DC電源電路元件11-13每一個(gè)。為了圖1簡(jiǎn)單起見(jiàn)，未示出控制信號(hào)SYNC。
控制信號(hào)Dcon用來(lái)控制是執(zhí)行還是停止DC/DC電源電路元件中的電源電壓轉(zhuǎn)換操作。如果控制信號(hào)Dcon的電平為H(高)電平，那么DC/DC電源電路元件處于執(zhí)行DC/DC操作的狀態(tài)(激活狀態(tài))。如果控制信號(hào)Dcon的電平為L(zhǎng)(低)電平，那么DC/DC電源電路元件處于停止DC/DC操作的狀態(tài)(非激活狀態(tài))。
控制信號(hào)VoREQ用來(lái)在許多(這種情況下的兩)種電源電壓中選擇一個(gè)電源電壓，該電源電壓是要從安裝在DC/DC電源電路元件上DC/DC轉(zhuǎn)換電路中輸出的電源電壓。如果控制信號(hào)VoREQ的電平為L(zhǎng)電平，那么輸出電壓為2.53V。如果控制信號(hào)VoREQ的電平為H電平，那么輸出電壓為1.65V。
PMC21將控制信號(hào)Dcon(H電平)和控制信號(hào)VoREQ(L電平)輸出給DC/DC電源電路元件11。這用來(lái)令DC/DC電源電路元件11將2.53V的電源電壓輸出給功能塊IP31。
PMC21將控制信號(hào)Dcon(H電平)和控制信號(hào)VoREQ(H電平)輸出給DC/DC電源電路元件12和13每一個(gè)。這用來(lái)令DC/DC電源電路元件12將1.65V的電源電壓輸出給功能塊IP32，而令DC/DC電源電路元件13將1.65V的電源電壓輸出給功能塊IP33。
PMC21根據(jù)功能塊IP31-33每一個(gè)的溫度和工作頻率改變控制信號(hào)VoREQ的邏輯值，以便能夠把與溫度和工作頻率相適合的電源電壓提供給功能塊IP31-33每一個(gè)。這是因?yàn)閺陌惭b在各個(gè)DC/DC電源電路元件11-13上的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中把與控制信號(hào)VoREQ的邏輯值相對(duì)應(yīng)的電源電壓輸出給各個(gè)功能塊IP31-33。例如，當(dāng)功能塊IP的工作頻率為高時(shí)，PMC21控制DC/DC工作以便從DC/DC轉(zhuǎn)換電路中輸出的電源電壓為高；當(dāng)功能塊IP的工作頻率為低時(shí)，PMC21控制DC/DC工作以便從DC/DC轉(zhuǎn)換電路中輸出的電源電壓為低。這樣，通過(guò)根據(jù)功能塊IP的性能(如溫度和工作頻率)使功能塊IP的工作電壓最優(yōu)，可以使每個(gè)功能塊IP的工作電壓最小。所以，可以降低整個(gè)系統(tǒng)LSI的功耗。
當(dāng)未采用一個(gè)特定功能塊IP的功能(例如處于睡眠模式)時(shí)，PMC21可以通過(guò)使控制信號(hào)Dcon的電平為L(zhǎng)電平而切斷該特定功能塊IP的電源。這樣一種控制尤其在用于該特定功能塊IP中的MOS晶體管閾值為低時(shí)有效。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)切斷電源，可以切斷一靜態(tài)漏電流，這種靜態(tài)漏電流可能產(chǎn)生于低閾值的MOS晶體管中。
圖1中所示的功能塊IP34和35并不受PMC21的控制。提供DC/DC電源電路元件14以對(duì)應(yīng)于功能塊IP34和35。
通過(guò)電源電壓焊盤元件45，從安裝在DC/DC電源電路元件14上的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中把1.65V電源電壓提供給功能塊IP34。通過(guò)電源電壓焊盤元件46，從安裝在DC/DC電源電路元件14上的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中把1.65V電源電壓提供給功能塊IP35。這樣，當(dāng)把一公共電源電壓供給多個(gè)功能塊時(shí)，通?？梢栽诙鄠€(gè)功能塊中設(shè)置DC/DC電源電路元件。
DC/DC電源電路元件14可以具有與DC/DC電源電路元件11-13相似的結(jié)構(gòu)?？墒?，由于并未將功能塊IP34和35置于PMC21的控制之下，所以控制信號(hào)Dcon的電平、控制信號(hào)VoREQ的電平和控制信號(hào)SYNC的電平可以固定到各個(gè)預(yù)定值。在圖1所示的實(shí)例中，DC/DC電源電路控制元件51用來(lái)將控制信號(hào)Dcon的電平固定在H電平，DC/DC電源電路控制元件52用來(lái)將控制信號(hào)VoREQ的電平固定在H電平。DC/DC電源電路控制元件51和52每一個(gè)都是一種I/O元件。
這些I/O元件每一個(gè)都被用作半導(dǎo)體芯片的內(nèi)部電路用以將一信號(hào)發(fā)給一功能塊/從一功能塊中接收一信號(hào)，這些I/O元件包括DC/DC電源電路元件11-14、輸入電源焊盤元件41-46、DC/DC電源電路控制元件51和52以及其他元件如輸入信號(hào)焊盤元件61和輸出信號(hào)焊盤元件71。輸入焊盤元件61是用來(lái)將一信號(hào)輸入給一功能塊的I/O元件。輸出焊盤元件71是用來(lái)從一功能塊中輸出一信號(hào)的I/O元件。
根據(jù)本發(fā)明，DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝在各個(gè)DC/DC電源電路元件上。當(dāng)DC/DC電源電路元件設(shè)置在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上時(shí)，把每個(gè)DC/DC電源電路元件作為一個(gè)I/O元件。所以，以類似用于各種其他I/O元件(例如輸入電源焊盤元件41-46、輸入信號(hào)焊盤元件61、輸出信號(hào)焊盤元件71)的方式確定DC/DC電源電路元件在半導(dǎo)體芯片上的位置。這考慮到使人能以類似用于I/O元件的方式利用市場(chǎng)上可買到的I/O元件排列工具在半導(dǎo)體電路元件上排列DC/DC電源電路元件。
可以沿半導(dǎo)體芯片的周邊將一I/O元件設(shè)置在一I/O元件排列區(qū)域中的任意位置處，包括四角。DC/DC電源電路元件是一種I/O元件。因此，DC/DC電源電路元件可以設(shè)置在I/O元件排列區(qū)域中的適當(dāng)位置處，以滿足關(guān)于來(lái)自一功能塊的工作電源電壓的要求，該功能塊包括在系統(tǒng)LSI的內(nèi)部電路中。這里，關(guān)于來(lái)自一功能塊的工作電源電壓的要求可以是這樣一種要求，即它能夠根據(jù)該功能塊的工作狀態(tài)提供最優(yōu)工作電源電壓，或者提供預(yù)定工作電源電壓。當(dāng)系統(tǒng)LSI的內(nèi)部電路包括多個(gè)功能塊時(shí)，多個(gè)DC/DC電源電路元件可以排列在I/O元件排列區(qū)域中，以便分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)功能塊。
當(dāng)要提供多個(gè)I/O元件如DC/DC電源電路元件或者一個(gè)用來(lái)將一工作電壓提供給一功能塊(IP塊)的輸入電源焊盤元件時(shí)，一旦把來(lái)自DC/DC電源電路元件的輸出電壓輸出到半導(dǎo)體芯片外部，該輸出電壓就經(jīng)過(guò)設(shè)置在半導(dǎo)體外部的LC電路(平滑電路)，然后再次從一輸入電源焊盤輸入給半導(dǎo)體芯片。來(lái)自DC/DC電源電路元件的輸出電壓受到該LC電路(平滑電路)的平滑處理。圖1中，LC電路(平滑電路)標(biāo)為“LC”。
這里，重要之處在于，將輸入電源焊盤元件設(shè)置在提供工作電壓的功能塊附近。這樣，可以使輸入電源焊盤元件與相應(yīng)功能塊之間的金屬線路電阻所損失的功率量最小。
圖2示出圖1所示DC/DC電源電路元件11的電路方框結(jié)構(gòu)。圖1所示的DC/DC電源電路元件12-14每一個(gè)都具有類似于DC/DC電源電路元件11的結(jié)構(gòu)。
DC/DC電源電路元件11具有用來(lái)將一電源電壓轉(zhuǎn)換為另一電源電壓的電源電壓轉(zhuǎn)換功能。在圖2所示的實(shí)例中，把一種PMW時(shí)鐘同步式自激振蕩法用作電源電壓轉(zhuǎn)換方法?？墒牵景l(fā)明并不受電源電壓轉(zhuǎn)換方法的限制。DC/DC電源電路元件11可以具有根據(jù)任何電源電壓轉(zhuǎn)換方法的電源電壓轉(zhuǎn)換功能。
DC/DC電源電路元件11包括電壓轉(zhuǎn)換部分110和微調(diào)部分112。電壓轉(zhuǎn)換部分110接至內(nèi)部信號(hào)插腳114和外部焊盤116。
電壓轉(zhuǎn)換部分110包括參考電壓發(fā)生電路(BGR帶隙參考電路)110a、用來(lái)控制電源電壓轉(zhuǎn)換模式的控制部分110b和具有浪涌(ESD靜電放電)保護(hù)功能的輸出晶體管部分110c。
從BGR 110a輸出的參考電壓(Vref，Vref_out)可能受到加工偏差(process variation)的絕對(duì)精度差的影響，這樣參考電壓(Vref，Vref_out)可能有波動(dòng)。微調(diào)部分112用來(lái)抑制參考電壓(Vref，Vref_out)的波動(dòng)。
對(duì)于內(nèi)部信號(hào)插腳114，DC/DC電源電路元件11包括插腳114a，它用來(lái)輸入控制信號(hào)Dcon；插腳114b，它用來(lái)輸入控制信號(hào)VoREQ；插腳114c，它用來(lái)輸入控制信號(hào)SYNC。
對(duì)于外部焊盤116，DC/DC電源電路元件11包括焊盤116a，它根據(jù)控制信號(hào)VoREQ的邏輯值輸出電源電壓LX；焊盤116b，它用來(lái)輸入DC/DC開(kāi)關(guān)電源Vdd_dc(3.3V)；焊盤116c，它用來(lái)輸入DC/DC地電源Vss_dc(0V)。這些焊盤接至輸出晶體管部分110c。至于外部焊盤116，DC/DC電源電路元件11還包括焊盤116d，它用來(lái)輸入模擬式電源VddH(3.3V)。該焊盤作為BGR 110a的電源插腳接至BGR 110a。
BGR 110a根據(jù)控制信號(hào)VoREQ的邏輯值改變從BGR 110a輸出的參考電壓Vref。響應(yīng)于參考信號(hào)Vref，控制部分110b改變從輸出晶體管部分110c中輸出的電源電壓LX的值。通過(guò)外部焊盤116將電源電壓LX輸出到DC/DC電源電路元件11的外部。
圖3示出DC/DC電源電路元件11的電路方框結(jié)構(gòu)。
把三個(gè)焊盤用作輸出電源電壓LX的焊盤116a。類似地，把三個(gè)焊盤用作焊盤116b，把三個(gè)焊盤用作焊盤116c。用于相同電壓的三個(gè)焊盤覆有一種相同的金屬。這樣，可以使用于相同電壓的三個(gè)焊盤的電阻分量最小。利用用于相同電壓(信號(hào))的兩個(gè)或更多焊盤可得到類似效果。
圖4示出LSI2布局的推薦實(shí)例，LSI2上安裝有DC/DC電源電路元件11。在圖4所示的實(shí)例中，DC/DC電源元件11排列在半導(dǎo)體芯片10a上。通過(guò)焊盤116a從DC/DC電源電路元件輸出的電源電壓LX經(jīng)過(guò)LC電路117，以供給總線118作為電源電壓Vout。LC電路117和總線118設(shè)置在半導(dǎo)體芯片10a的外部。電源電壓Vout通過(guò)輸入電源焊盤元件121-124作為電源電壓Vin再次輸入給半導(dǎo)體芯片10a。
通過(guò)多個(gè)輸入電源焊盤元件121-124把電源電壓VIN輸入給半導(dǎo)體芯片10a有兩個(gè)主要原因。
第一個(gè)原因是，盡可能縮短輸入電源焊盤元件與內(nèi)部電路中設(shè)有電源電壓Vin的功能塊之間的距離。用來(lái)將輸入電源焊盤元件同內(nèi)部電路功能塊連接在一起的金屬線路電阻分量，按輸入電源焊盤元件與內(nèi)部電路中設(shè)有電源電壓Vin的功能塊之間的距離成比例增大。如果金屬線路的電阻分量增大，那么經(jīng)過(guò)該金屬線路的電流所引起的電壓降就增大。為了抑制電壓降，優(yōu)選將輸入電源焊盤元件設(shè)置得盡可能靠近內(nèi)部電路中設(shè)有電源電壓Vin的功能塊。為此，提供多個(gè)輸入電源焊盤元件。與形成于半導(dǎo)體芯片10a中的金屬線路所引起的電壓降相比，總線118所引起的電壓降可以忽略不計(jì)。因此，為了使電源電壓Vin的電壓降最小，優(yōu)選使形成于半導(dǎo)體芯片10a中的金屬線路長(zhǎng)度最小。
第二個(gè)原因是，防止超出輸入電源焊盤元件的輸出電流上限值?？紤]到可靠性，為輸入電源焊盤元件預(yù)定輸入電源焊盤元件的上限值，例如以防線路的壽命因EM(電遷移)而縮短。例如，圖4所示的實(shí)例假定了這樣一種情況，即其中四個(gè)輸入電源焊盤元件121-124每一個(gè)都能夠輸出高達(dá)80mA的電流，且其中內(nèi)部電路中設(shè)有電源電壓Vin的功能塊需要例如300mA的電流。
圖5示出一PRML讀取通道LSI3的結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件211-215用于PRML讀取通道LSI3。PRML讀取通道LSI3形成于單獨(dú)一個(gè)半導(dǎo)體芯片10b上。
圖5所示的DC/DC電源電路元件211-215具有比圖1所示的DC/DC電源電路元件11-14性能更高的性能。這意味著，DC/DC電源電路元件211-215具有根據(jù)一個(gè)四位控制信號(hào)VoREQ輸出十三個(gè)不同電源電壓中的一個(gè)的功能。例如，十三個(gè)不同電源電壓范圍可以為1.8V～3.0V，間隔為0.1V。
參見(jiàn)圖5，描述PRML讀取通道LSI3中的信號(hào)流程。
把從記錄介質(zhì)如一磁盤中得到的再生波形信號(hào)從一輸入信號(hào)焊盤元件261輸入給半導(dǎo)體芯片10b。VGA(可變?cè)鲆娣糯笃?281放大所輸入再生波形信號(hào)。LPF(低通濾波器)282截去VGA 281輸出中的高頻分量。ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)283把LPF 282的輸出(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號(hào)。PREQ(部分響應(yīng)均衡器)284將ADC 283的輸出均衡至1、0、-1。VITERBI 285根據(jù)PREQ 284的輸出執(zhí)行最大相似解碼操作(maximum likelihood decoding operation)。在對(duì)數(shù)據(jù)編碼之后將其寫入記錄介質(zhì)如一磁盤中。DECODER 286對(duì)VETERBI 285的輸出進(jìn)行解碼，用以存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)。LEVEL SHIFTER287轉(zhuǎn)換從DECODER 286中輸出的信號(hào)電平。這是因?yàn)檩敵龅桨雽?dǎo)體芯片10b外部的信號(hào)為3.3V，而從DECODER 286輸出的信號(hào)為1.8V。其電平已由LEVEL SHIFTER 287轉(zhuǎn)換的信號(hào)通過(guò)輸出信號(hào)焊盤元件271作為再生數(shù)據(jù)輸出到半導(dǎo)體芯片10b的外部。
PLL(鎖相環(huán))288從ADC 283的輸出信號(hào)或者PREQ 284的輸出信號(hào)中提取一時(shí)鐘信號(hào)。LMS(最小均方)289適當(dāng)更新包括在PREQ 284中的FIR濾波器的抽頭系數(shù)(tap coefficient)。
下面，將描述如何控制PRML讀取通道LSI3的電源電壓。
VGA 281、LPF 282和ADC 283是用來(lái)處理模擬信號(hào)的模擬塊(功能塊)。將3.0V的工作電壓提供給這些模擬塊。工作電壓(3.0V)是通過(guò)利用DC/DC電源電路元件211轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體芯片10b外部所提供的電源電壓(3.3V)得到的。已經(jīng)受到安裝在DC/DC電源電路元件211上的DC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換的電源電壓一旦輸出到半導(dǎo)體芯片10b外部，然后就受到半導(dǎo)體芯片10b外部所提供的LC電路217a的平滑處理。平滑處理后的電源電壓通過(guò)輸入電源焊盤元件241再次輸入給半導(dǎo)體芯片10b，然后提供給VGA 281、LPF 282和ADC 283。
PLL 288也是一模擬塊(功能塊)。將3.0V工作電壓提供給PLL288。該工作電壓(3.0V)是通過(guò)利用DC/DC電源電路元件212轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體芯片10b外部所提供的電源電壓(3.3V)得到的。
PREQ 284和VITERBI 285是其他用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)的數(shù)字塊中需要高速操作的功能塊。把可以在2.0V～2.5V范圍內(nèi)變化的工作電壓提供給PREQ 284和VITERBI 285。這是因?yàn)橄ＭM可能降低PREQ284于VITERBI 285中的功耗。提供給PREQ 284和VITERBI 285的工作電壓(2.0V-2.5V)是通過(guò)DC/DC電源電路元件214根據(jù)從PMC(功率調(diào)節(jié)電路)290中輸出的控制信號(hào)VoREQ執(zhí)行一DC/DC操作而得到的。PMC 290檢測(cè)PREQ 284和VITERBI 285可工作的最小電壓，并且控制DC/DC電源電路元件214輸出最小電壓。
DECODER 286是在其他數(shù)字塊中工作速度較低的一種功能塊。把1.8V的工作電壓提供給DECODER 286。該工作電壓(1.8V)是通過(guò)利用DC/DC電源電路元件215轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體芯片10b外部所提供的電源電壓(3.3V)得到的。
LEVEL SHIFTER 287本來(lái)需要兩種不同的工作電壓1.8V和3.3V。1.8V工作電壓是由DC/DC電源電路元件215提供的。3.3V工作電壓是由半導(dǎo)體芯片10b外部提供的。
LMS 289是工作速度較低的一種功能塊。把1.8V工作電壓提供給LMS 289。該工作電壓(1.8V)是通過(guò)利用DC/DC電源電路元件213轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體芯片10b外部所提供的電源電壓(3.3V)得到的。當(dāng)FIR濾波器的抽頭系數(shù)已經(jīng)收斂并且不再需要適應(yīng)性更新該抽頭系數(shù)時(shí)，LMS 289將控制信號(hào)Dcon的電平設(shè)定為L(zhǎng)電平。然后，切斷來(lái)自DC/DC電源電路元件213的電源，這樣可以降低LMS 289中的功耗。
雖然在以上描述中把PRML讀取通道LSI3用作系統(tǒng)LSI，可是也可以將PRML讀取通道LSI3另外用作不同系統(tǒng)LSI中的一個(gè)IP。
圖6示出用來(lái)確定各種I/O元件所要設(shè)置的位置的過(guò)程流程。參見(jiàn)圖6，現(xiàn)在將對(duì)圖5所示PRML讀取通道LSI3的情況來(lái)描述如何確定各種I/O元件所要設(shè)置的位置。
步驟ST1確定安裝在系統(tǒng)LSI上多個(gè)功能塊要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。在PRLM引導(dǎo)通道LSI3的情況下，確定以下各種功能塊要在半導(dǎo)體芯片10b上設(shè)置的位置VGA 281；LPF 282；ADC 283；PREQ 284；VITERBI 285；DECODER 286；LEVEL SHIFTER 287；PLL 288；LMS 289；PMC 290。
在步驟ST2中，選擇安裝在系統(tǒng)LSI上的多個(gè)功能塊中的一個(gè)。例如，選擇功能塊PLL 288。
在步驟ST3中，確定所選的功能塊是否需要一個(gè)外部電源電壓(Vdd，Vss)以外的電壓。如果結(jié)果是“是”，那么該過(guò)程進(jìn)至步驟ST4，而如果結(jié)果是“否”，那么該過(guò)程轉(zhuǎn)至步驟ST5。在功能塊PLL288的情況下，確定需要3.0V電壓作為外部電源電壓(Vdd，Vss)以外的電壓。
在步驟ST4中，把一DC/DC電源電路元件和一輸入電源焊盤元件等結(jié)合在一起，并且確定它們要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。在功能塊PLL 288的情況下，DC/DC電源電路元件212和輸入電源焊盤元件242需要將3.0V電壓提供給PLL 288。因此，步驟ST4確定DC/DC電源電路元件212和輸入電源焊盤元件242要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。這里，優(yōu)選的是，將輸入電源焊盤元件242設(shè)置得盡可能靠近PLL 288。這是因?yàn)檩斎腚娫春副P元件242與PLL 288之間的距離越短，所需的附加內(nèi)部電源線數(shù)目就越少，因而抑制了因這些內(nèi)部電源線引起的電壓降。
步驟ST5確定是否已經(jīng)選擇了所有要安裝到系統(tǒng)LSI上的功能塊。如果結(jié)果是“是”，那么該過(guò)程進(jìn)至步驟ST6，而如果結(jié)果是“否”，那么該過(guò)程返回步驟ST2。這樣，對(duì)所有要安裝到系統(tǒng)LSI上的功能塊執(zhí)行步驟ST2和步驟ST3(必要時(shí)還有步驟ST4)。
步驟ST6確定外部電源電壓(Vdd，Vss)的輸入電源焊盤元件要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。在PRML讀取通道LSI3的情況下，該步驟例如確定3.0V電源電壓的輸入電源焊盤元件246要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。
步驟ST7確定輸入信號(hào)的輸入信號(hào)焊盤元件和輸出信號(hào)的輸出信號(hào)焊盤元件要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。輸入信號(hào)包括例如時(shí)鐘信號(hào)。在PRML讀取通道LSI3的情況下，該步驟例如確定輸入一再生波形信號(hào)的輸入信號(hào)焊盤元件261和輸出再生信號(hào)的輸出信號(hào)焊盤元件271所要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。
圖6所示的流程可以由人或者特殊機(jī)器(或計(jì)算機(jī))來(lái)執(zhí)行。優(yōu)選的是，通過(guò)人(操作員)與一臺(tái)特殊機(jī)器(或計(jì)算機(jī))之間的人機(jī)對(duì)話交互式執(zhí)行圖6所示的流程。
在如上所述確定功能塊和I/O元件要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置之后(即在完成通常所說(shuō)的平面布置之后)，進(jìn)行利用市場(chǎng)上可買到的自動(dòng)排列和布線工具排列功能塊和I/O元件(即用自動(dòng)I/O陣列設(shè)備進(jìn)行布局)，并且用導(dǎo)線將每個(gè)功能塊與另一個(gè)功能塊或I/O元件連接。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，當(dāng)確定一個(gè)DC/DC電源電路元件要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置時(shí)，將該DC/DC電源電路元件作為一I/O元件。如果待安裝到系統(tǒng)LSI上的多個(gè)功能塊包括需要外部電源電壓(Vdd，Vss)以外一個(gè)電壓的任意功能塊，那么把用來(lái)將該電壓提供給該功能塊的DC/DC電源電路元件和輸入電源焊盤元件類似地作為一I/O元件，以確定該DC/DC電源電路元件和輸入電源焊盤元件要在半導(dǎo)體芯片上設(shè)置的位置。這樣，利用一種市場(chǎng)上可買到的I/O元件排列與布線工具在半導(dǎo)體芯片上排列DC/DC電源電路元件和輸入電源焊盤元件并對(duì)它們進(jìn)行布線。這樣，可以將一DC/DC轉(zhuǎn)換電路安裝到一系統(tǒng)LSI上。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法具有以下效果(1)-(5)。
(1)對(duì)于不同的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，DC/DC轉(zhuǎn)換電路的性能不會(huì)變化。當(dāng)確定包括DC/DC轉(zhuǎn)換電路的DC/DC電源電路元件在半導(dǎo)體芯片上的位置時(shí)，把該DC/DC電源電路元件作為一I/O元件。這樣，可以總是確定DC/DC轉(zhuǎn)換電路有一不變的性能，而不會(huì)增加設(shè)計(jì)步驟，也不必考慮設(shè)計(jì)者在芯片內(nèi)電源方面的知識(shí)。
(2)當(dāng)一設(shè)計(jì)者新近設(shè)計(jì)一種DC/DC轉(zhuǎn)換電路或者采用一種DC/DC轉(zhuǎn)換電路的大元件(macro cell)時(shí)，如果設(shè)計(jì)者在各種I/O元件排列區(qū)域(即內(nèi)部電路排列區(qū)域)以外的區(qū)域中設(shè)置該DC/DC轉(zhuǎn)換電路，那么該DC/DC轉(zhuǎn)換電路與輸入電源焊盤之間的距離將大于采用本發(fā)明DC/DC電源電路元件時(shí)所得到的距離，從而其轉(zhuǎn)換效率低于本發(fā)明DC/DC電源電路元件的轉(zhuǎn)換效率。
(3)如果將一DC/DC電源電路元件設(shè)計(jì)成其高度低于或等于其他I/O元件的高度，那么就不會(huì)減小有效區(qū)域。因此，不必改變內(nèi)部電路的布局。圖7示出一內(nèi)部電路設(shè)置區(qū)域320和一I/O元件排列區(qū)域310，在區(qū)域320中設(shè)置有圖1所示的PMC 21和功能塊IP31等等，在區(qū)域310中排列有一組將一電源電壓提供給功能塊IP31的DC/DC電源電路元件11和輸入電源焊盤元件42。這里，將DC/DC電源電路元件11的高度H2設(shè)置得低于其他I/O元件(例如輸入電源焊盤元件42)的高度H1。因而H2＜H1。通過(guò)將DC/DC電源電路元件的高度H2設(shè)置得低于或等于其他I/O元件的高度H1，不再需要改變要設(shè)置在內(nèi)部電路設(shè)置區(qū)域310中功能塊的布局。
(4)只要采用根據(jù)本發(fā)明的DC/DC電源電路元件，就不必在設(shè)計(jì)一系統(tǒng)LSI時(shí)新近設(shè)計(jì)一DC/DC轉(zhuǎn)換電路。因而，可能降低設(shè)計(jì)一系統(tǒng)LSI的步驟數(shù)。
(5)一組用來(lái)將一電源電壓供給一功能塊的DC/DC電源電路元件和輸入電源焊盤元件可以排列在I/O元件排列區(qū)域中的任何位置，包括半導(dǎo)體芯片的四角。因此，可能根據(jù)半導(dǎo)體芯片內(nèi)部電路的需要排列多組DC/DC電源電路元件和輸入電源焊盤元件。
在上述根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法中，有如下兩種I/O元件，它們具有一電源電壓轉(zhuǎn)換功能以便將一電源電壓轉(zhuǎn)換為另一電源電壓。第一種I/O元件是包括一浪涌保護(hù)二極管和一輸出晶體管部分的I/O元件。第二種I/O元件是包括一輸出晶體管部分的I/O元件，該輸出晶體管部分具有浪涌保護(hù)功能。雖然理想的DC/DC電源電路元件是一種可能實(shí)現(xiàn)高效、低噪聲芯片內(nèi)DC/DC轉(zhuǎn)換器的元件，不過(guò)只要上述第一種和第二種I/O元件采用了本發(fā)明的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，它們就能夠具有如上所述的效果。
圖8A是第一種I/O元件105a的電路圖。在第一種I/O元件105a中，輸出晶體管部分102a不具有浪涌保護(hù)功能。這樣一種輸出晶體管部分102a是普通型的。
第一種I/O元件105a包括控制電路101，它用來(lái)控制電源電壓轉(zhuǎn)換的模式；輸出晶體管部分102a，它用來(lái)輸出一電源電壓；浪涌保護(hù)二極管106，它用來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體集成電路(芯片)的內(nèi)部電路不受浪涌如靜電放電的損壞；外部輸入/輸出端焊盤。將控制電路101構(gòu)造成包括例如圖2所示的BGR 110a、控制部分110b和微調(diào)部分112。
控制電路101輸出一控制信號(hào)pctrl和控制信號(hào)nctrl?？刂菩盘?hào)pctrl用來(lái)控制包括在輸出晶體管部分102a中P溝道輸出晶體管ptr的導(dǎo)通/截止?？刂菩盘?hào)nctrl用來(lái)控制包括在輸出晶體管部分102a中N溝道輸出晶體管ntr的導(dǎo)通/截止。輸入電壓Vin受到輸出晶體管部分102a的斬波，然后由一LC電路107進(jìn)行平滑處理。由此，得到輸出電壓Vout。
這樣，第一種I/O元件105a起一DC/DC轉(zhuǎn)換電路的作用，該電路將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為輸出電壓Vout。
更具體地說(shuō)，第一種I/O元件105a起一開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)型的DC/DC轉(zhuǎn)換電路作用。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是一種將輸入電壓Vin(例如3.3V)轉(zhuǎn)換為與輸入電壓Vin不同的輸出電壓Vout(例如2.5V)的電路?？刂齐娐?01通過(guò)以下措施對(duì)輸入電壓Vin作斬波處理把具有正相脈沖波形的控制信號(hào)Pctrl輸出給P溝道輸出晶體管ptr的柵極，而把具有負(fù)相脈沖波形的控制信號(hào)Nctrl輸出給N溝道輸出晶體管ntr的柵極。斬波后的輸入電壓Vin受到LC電路107的平滑處理。由此，得到輸出電壓Vout。理想的是，當(dāng)脈沖波形的占空比為50時(shí)，輸出電壓Vout是輸入電壓Vin的一半?？梢酝ㄟ^(guò)改變脈沖波形的占空比來(lái)改變輸出電壓Vout。
當(dāng)P溝道輸出晶體管ptr導(dǎo)通時(shí)，N溝道輸出晶體管ntr截止。這種情況下，電流從用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端流出，經(jīng)P溝道輸出晶體管ptr和電感L流至電容C和一內(nèi)部電路(圖中未示)，該內(nèi)部電路接至用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端。
另一方面，當(dāng)P溝道輸出晶體管ptr截止時(shí)，N溝道輸出晶體管ntr導(dǎo)通。這種情況下，電流從接地端流出，經(jīng)N溝道輸出晶體管ntr和電感L流至電容C和一內(nèi)部電路(圖中未示)，該內(nèi)部電路接至用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端。電感L和電容C作為外部元件設(shè)置在第一種I/O元件105a的外部。
對(duì)于第一種I/O元件來(lái)說(shuō)，鋁線路電阻的增大是必然的，由此難以得到一高效DC/DC轉(zhuǎn)換電路。下面將對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。
一種由0.35μm之后的工藝所產(chǎn)生的半導(dǎo)體集成電路具有高達(dá)約0.1Ω/□的鋁線路電阻。這樣，對(duì)于構(gòu)建在半導(dǎo)體集成電路內(nèi)的DC/DC轉(zhuǎn)換電路來(lái)說(shuō)，鋁線路電阻已成為使其性能惡化的因素。
圖9明確示出存在于圖8A所示第一種I/O元件105a電路中的線路電阻。
當(dāng)P溝道輸出晶體管ptr導(dǎo)通且N溝道輸出晶體管ntr截止時(shí)，電流從用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端流至用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端。在輸入端與輸出端之間，電流流過(guò)接合線600、焊盤部分103(外部輸入/輸出端焊盤→浪涌保護(hù)二極管106上的鋁線602)、輸出晶體管部分102a(鋁線601→P溝道輸出晶體管ptr→鋁線601)、焊盤部分103(鋁線602→外部輸入/輸出端焊盤)、接合線600和電感L。存在于輸入端與輸出端之間的總線路電阻累積至高達(dá)2.55Ω的值。這里，線路電阻分段(breakdown)如下接合線600具有約0.1Ω的電阻；浪涌保護(hù)二極管106上的鋁線602具有約0.5Ω的電阻；輸出晶體管部分102a的鋁線601具有約0.6Ω的電阻；P溝道輸出晶體管部分ptr的導(dǎo)通電阻約為0.15Ω。應(yīng)指出的是，電感L的線路電阻忽略不計(jì)。
三端線性調(diào)節(jié)器和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的最大電流Imax可以由(表達(dá)式1)得到。
Imax＝(Vin-Vout)/Ro…(表達(dá)式1)這里，Ro是用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端與用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端之間的線路電阻。由于Imax需要充分大于負(fù)載所需的電流，所以Ro應(yīng)足夠小。特別是，隨著輸入電壓Vin的值靠近輸出電壓Vout的值，Ro的作用增大。
此外，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的功耗Ploss可以由(表達(dá)式2)表示。
Ploss＝Ro*Io^2…(表達(dá)式2)這里，Io是負(fù)載電流。
另外，DC/DC轉(zhuǎn)換電路的效率η由(表達(dá)式3)表示。
η＝Vout*Io(Ploss+Vout*Io)…(表達(dá)式3)減小值Ploss是提高DC/DC轉(zhuǎn)換電路效率的唯一途徑，而減小線路電阻Ro是減小值Ploss的唯一途徑。
假定輸出電壓Vout為2.5V，負(fù)載電流Io為100mA，且線路電阻Ro為2.55Ω，則DC/DC轉(zhuǎn)換電路的效率至多僅為90.7％。如果線路電阻Ro的值可減小到約為原值的一半——1.2Ω，則最大效率將高達(dá)95.4％。此外，如果該值可進(jìn)一步減小到前一個(gè)值的一半——0.6Ω，則最大效率將高達(dá)97.7％。如上所述，在第一種I/O元件105a中，浪涌保護(hù)二極管106設(shè)置在外部輸入/輸出端焊盤附近。因此，線路電阻從第二種I/O元件105b電阻的增大是必然的，由此無(wú)法實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。第二種I/O元件將在下面描述。
圖8B是第二種I/O元件105b的電路圖。第二種I/O元件105b實(shí)現(xiàn)了比第一種I/O元件105a具有更高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換。
第二種I/O元件105b包括控制電路101，它用來(lái)控制輸出晶體管部分102b；輸出晶體管部分102，它具有浪涌保護(hù)功能；和外部輸入/輸出端焊盤。在第二種I/O元件105b中，輸出晶體管部分102b設(shè)置在半導(dǎo)體芯片外部輸入/輸出端焊盤的附近。這是因?yàn)樵诘诙NI/I元件105b中，不必在輸出晶體管部分102b與外部輸入/輸出端焊盤之間設(shè)置一個(gè)浪涌保護(hù)二極管，由此可能將輸出晶體管部分102b設(shè)置得與第一種I/O元件105a相比更靠近外部輸入/輸出端焊盤。
圖10示出第二種輸出晶體管部分102b的典型布局結(jié)構(gòu)。參考符號(hào)ptr和ntr分別表示一P溝道輸出晶體管和一N溝道輸出晶體管，這些晶體管每一個(gè)都具有浪涌保護(hù)功能?？刂菩盘?hào)pctrl接至P溝道輸出晶體管ptr的柵極，而控制信號(hào)nctrl接至N溝道輸出晶體管ntr的柵極。此外，輸入電壓Vin接至P溝道輸出晶體管ptr的源極，而接地端GND接至N溝道輸出晶體管ntr的源極。P溝道輸出晶體管ptr的漏極和N溝道輸出晶體管ntr的漏極接至輸出電壓Vout’。
如果采用一種通過(guò)折疊(folding back)輸出晶體管部分102b的柵極形成的折疊型晶體管(folded type transistor)，可以生產(chǎn)大型輸出晶體管部分102b，同時(shí)抑制其區(qū)域的增大。
現(xiàn)在，將描述輸出晶體管部分102b也具有浪涌保護(hù)功能的原因。
浪涌保護(hù)具有以下兩個(gè)目的防止大電流擊穿(breakdown)和高電壓擊穿。大電流擊穿是指結(jié)部分(PN結(jié)部分)的擊穿，該擊穿發(fā)生于流過(guò)一晶體管的電流密度(每單位柵極寬度的電流量)超過(guò)其上限的時(shí)候。高電壓擊穿是指柵極與襯底之間短路引起的擊穿，該短路歸因于主要施加于柵極部分上的強(qiáng)電場(chǎng)。因此，使輸出晶體管具有浪涌保護(hù)功能的重要因素是(a)改善高電壓擊穿下擴(kuò)散區(qū)的電容值；和(b)改善大電流擊穿下將浪涌電荷(surge charge)釋放到電源和地的電流通路。
(a)關(guān)于擴(kuò)散電容值的改善如果在漏極擴(kuò)散電容增大的同時(shí)增大浪涌保護(hù)晶體管的柵極寬度，那么可能在施加浪涌電荷時(shí)減小施加給內(nèi)部電路中晶體管柵極部分的電壓。這有效地防止了高電壓擊穿。甚至與傳統(tǒng)的保護(hù)二極管相比，本發(fā)明的輸出晶體管部分102b也具有足夠大的尺寸，以通過(guò)一外部電路如IC電路向內(nèi)部電路提供電流。因此，在采用本發(fā)明的輸出晶體管部分102b的情況下，改善擴(kuò)散電容值不是問(wèn)題。
(b)關(guān)于電流通路的改善為了降低電流密度，有效的方法是，通過(guò)在晶體管的漏極和其柵極之下的溝道之間插入一個(gè)電阻增大晶體管的柵極寬度或者減小電流值。插入電阻的一個(gè)具體方法是增大柵極與觸點(diǎn)之間的距離。本實(shí)施例中，把柵極與觸點(diǎn)CW之間的距離設(shè)定得可與保護(hù)二極管相匹配，以便將柵極與觸點(diǎn)CW(擴(kuò)散區(qū)與第一金屬層之間的觸點(diǎn))之間的電阻值設(shè)定到理想值或更大。
根據(jù)這些因素，可以使本發(fā)明的輸出晶體管部分102b具有浪涌保護(hù)功能。
如上所述，參照?qǐng)D9，在第一種I/O元件105a中，用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端與用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端之間的線路電阻Ro為2.55Ω。利用一個(gè)也具有浪涌保護(hù)功能的輸出晶體管部分102b，可以去除鋁線107。由此，把線路電阻Ro從2.55Ω減小到1.55Ω。因此，根據(jù)(表達(dá)式1)，流過(guò)第二種I/O元件105b的最大電流約為流過(guò)第一種I/O元件105a的最大電流的1.65倍。
此外，當(dāng)把一開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器用作DC/DC轉(zhuǎn)換電路時(shí)，根據(jù)(表達(dá)式3)，效率η從第一種I/O元件105a的90.7％提高到94.4％。這樣，也具有浪涌保護(hù)功能的輸出晶體管部分102b在改善DC/DC轉(zhuǎn)換性能方面具有很大作用。
如上所述，在第二種I/O元件105b中，去除了浪涌保護(hù)二極管，不過(guò)采用了也具有浪涌保護(hù)功能的輸出晶體管102b。這樣，可以消除浪涌保護(hù)二極管上的鋁線路電阻。由此，實(shí)現(xiàn)了高效DC/DC轉(zhuǎn)換。
圖11示出第二種I/O元件105b中輸出晶體管部分102b的另一典型布局。為了改善電路通路，必需將柵極與觸點(diǎn)CW相互間充分間隔開(kāi)。在0.35μm工藝的情況下，其間的距離將約為設(shè)計(jì)規(guī)則下所限定最小距離的七倍大。因此，也具有浪涌保護(hù)功能的輸出晶體管部分102b的面積約為具有設(shè)計(jì)規(guī)則最小距離的布局中面積的差不多四倍。
采用一種如圖11所示的網(wǎng)式柵極晶體管，用以抑制也具有浪涌保護(hù)功能的輸出晶體管102b面積的增大。盡管圖10所示的晶體管其柵極相互平行排列在擴(kuò)散區(qū)上，不過(guò)這些柵極也可以排列在如圖11中所示的格式圖案(lattice pattern)內(nèi)，由此可以實(shí)現(xiàn)具有傳統(tǒng)晶體管一半面積且具有與傳統(tǒng)晶體管相同柵極寬度的晶體管。由于輸出晶體管102b具有較大尺寸，所以減小該面積的網(wǎng)式柵極所起的作用很顯著。
此外，在輸出晶體管部分102b中，圖11中所示的格柵(latticegate)可以進(jìn)一步延伸以得到格狀柵極(lattice-like gate)所分割的擴(kuò)散區(qū)?？梢詫⒃礃O區(qū)的四個(gè)鄰近區(qū)(vicinities)用作漏極區(qū)，或者將漏極區(qū)的四個(gè)鄰近區(qū)用作源極區(qū)。這種情況下，可以生產(chǎn)大型的輸出晶體管部分102b，同時(shí)抑制其區(qū)域的增大。
在把本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換電路與一現(xiàn)有半導(dǎo)體集成電路(半導(dǎo)體芯片)相結(jié)合使用的情況下，如果也具有浪涌保護(hù)二極管功能的輸出晶體管部分僅設(shè)置在已經(jīng)按常規(guī)設(shè)置有一保護(hù)二極管的區(qū)域中，那么就可抑制該面積的增大。就一種網(wǎng)式柵極輸出晶體管來(lái)說(shuō)，也具有浪涌保護(hù)二極管功能的輸出晶體管部分能夠易于只設(shè)置在保護(hù)二極管區(qū)域中。因此，當(dāng)希望僅降低內(nèi)部電路的電壓而保持傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路中外部接口電壓的兼容性時(shí)，利用本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換電路能夠易于實(shí)現(xiàn)這種電壓降低，而不會(huì)增大其面積。
此外，由于在擴(kuò)散區(qū)和襯底之間存在電容和電阻，所以每次源極區(qū)和漏極區(qū)中的電勢(shì)改變，襯底電阻都會(huì)耗費(fèi)功率。由于該功耗與擴(kuò)散區(qū)的面積成比例，所以可以通過(guò)利用網(wǎng)式柵極減小其面積而減小一半因擴(kuò)散區(qū)電容產(chǎn)生的功耗量。圖11所示的網(wǎng)式柵極晶體管不但具有減小該面積的作用，而且具有減小功耗的作用。
圖12A和12B每個(gè)都示出圖8B所示第二種I/O元件105b的變化。圖12A中，由于用來(lái)輸出輸出電壓Vout’的輸出端、用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端以及接至接地端GND的端相互間隔開(kāi)，所以存在鋁線400的電阻。為了減小該電阻，如圖12B所示，把用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端和接至接地端GND的端設(shè)置在用來(lái)輸出輸出電壓Vout’的輸出端附近也是有效的。
圖13A示出圖8B所示第二種I/O元件105b的另一變化。圖13A中，參考數(shù)字500是覆蓋用來(lái)輸入輸入電壓Vin的多個(gè)輸入端的金屬，501是覆蓋用來(lái)輸出輸出電壓Vout’的多個(gè)輸出端的金屬，502是覆蓋接至接地端GND的多個(gè)端的金屬。為了進(jìn)一步減小第二種I/O元件105b中的線路電阻，用同一種金屬覆蓋多個(gè)端也是有效的。此外，通過(guò)為每個(gè)輸入電壓Vin、輸出電壓Vout和接地端GND提供多個(gè)端來(lái)減小接合線的線路電阻。
圖13B示出與第一種I/O元件105a(圖9)相比，就圖13A所示的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，線路電阻減小了多少。利用經(jīng)多個(gè)接合線輸入輸入電壓Vin可以將接合線600的線路電阻減小得比利用經(jīng)單獨(dú)一個(gè)接合線輸入輸入電壓Vin時(shí)減小得多。在圖13B所示的實(shí)例中，為輸入電壓Vin、輸出電壓Vout’和接地端GND中的每一個(gè)提供三個(gè)端。因此，把接合線600的線路電阻從已有技術(shù)中的0.1Ω減小到0.03Ω。此外，通過(guò)用同一種金屬覆蓋多個(gè)與同一電壓相對(duì)應(yīng)的端子而把多個(gè)端部分每一個(gè)的電阻減小到0.03Ω。
在圖13B所示的第二種I/O元件105b中，去除在圖9所示第一種I/O元件105中的浪涌保護(hù)二極管106上具有0.5Ω電阻的鋁線602。因此，這樣一種鋁線所產(chǎn)生的電阻未示于圖13B中。通過(guò)為每個(gè)公共電壓提供多個(gè)端以及將電源端和接地端設(shè)置得鄰近輸出端，把輸出晶體管部分102b中鋁線所產(chǎn)生的電阻從第一種I/O元件105a的0.6Ω減小到0.2Ω(鋁線601的電阻)和0.1Ω(鋁線603的電阻)。
總之，在第二種I/O元件105b中把用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端與用來(lái)輸出輸出電壓Vout的輸出端之間的線路電阻Ro降低到0.57Ω，盡管在第一種I/O元件105a中為2.55V。
因此，根據(jù)(表達(dá)式1)，最大電流Imax是已有技術(shù)中最大電流的4.5倍大，而根據(jù)(表達(dá)式3)，在輸出電壓Vout為2.5V且負(fù)載電流Io為100mA的條件下，最大效率從第一種I/O元件105a中的90.7％提高到98％。這樣，圖13A和13B中所示的第二種I/O元件105b在改善DC/DC性能方面有很大貢獻(xiàn)。
圖14是示出將半導(dǎo)體集成電路(半導(dǎo)體芯片)封裝后其結(jié)構(gòu)的圖。
由于DC/DC轉(zhuǎn)換電路的線路電阻包括接合線電阻和鋁線電阻，所以通過(guò)使接合線電阻最小和使鋁線電阻最小，可以進(jìn)一步改善DC/DC轉(zhuǎn)換電路的性能。
每條接合線600是外部輸入/輸出端焊盤與一封裝件700之間的一條線，外部輸入/輸出端焊盤沿半導(dǎo)體集成電路的周邊接至輸出晶體管部分102b的源/漏極，而封裝件700密封半導(dǎo)體集成電路100。關(guān)于接合線600的長(zhǎng)度，通常，使半導(dǎo)體集成電路四角中一個(gè)角上的外部輸入/輸出端接至封裝件700的接合線600最長(zhǎng)，從半導(dǎo)體集成電路的一側(cè)中點(diǎn)延伸的接合線600最短。因此，如果I/O元件105b沿半導(dǎo)體電路除其四角之外的周邊設(shè)置，那么就減小了接合線600的電阻，從而改善了DC/DC轉(zhuǎn)換性能。盡管半導(dǎo)體集成電路通常設(shè)置在封裝件的中央，可是為了進(jìn)一步減小接合線600的電阻，把半導(dǎo)體集成電路設(shè)置在偏離封裝件中央的位置也是有效的，如圖14所示，這使得把I/O元件105b的外部輸入/輸出端焊盤與封裝件700相連接的接合線600最短。
以上把第一種I/O元件105a和第二種I/O元件105b每一個(gè)都描述為包括控制電路101。但是，這些I/O元件可以另外構(gòu)造成不帶控制電路101。此外，以上把第一種I/O元件105a和第二種I/O元件105b每一個(gè)都描述為包括外部輸入/輸出端焊盤。但是，這些I/O元件可以另外構(gòu)造成不帶外部輸入/輸出端焊盤。如果I/O元件是包括外部輸入/輸出端焊盤的類型，那么有利之處在于，可以同時(shí)處理外部輸入/輸出端焊盤和DC/DC轉(zhuǎn)換電路。
此外，雖然以上把I/O元件排列區(qū)域描述為沿著芯片周邊，但是它也可以另外設(shè)置在一個(gè)不同的位置，例如設(shè)置在芯片的中央部分中。
雖然以上把一開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器型電路描述為第一種I/O元件105a和第二種I/O元件105b的典型DC/DC轉(zhuǎn)換電路，不過(guò)本發(fā)明也可用于如圖15所示的三端調(diào)節(jié)器型電路。三端調(diào)節(jié)器是一種用來(lái)將一輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為具有不同值的輸出電壓Vout的電路。用一電壓比較器比較參考電壓和一電壓Vr，電壓Vr是通過(guò)用電阻R分壓一輸出電壓Vout得到的。如果Vr比參考電壓高，那么通過(guò)使輸出晶體管ptr截止而減小輸出電壓Vout，而如果Vr比參考電壓低，那么通過(guò)使輸出晶體管ptr導(dǎo)通而增大輸出電壓Vout。通過(guò)這一操作，把輸出電壓Vout調(diào)整到所需的電壓。此外，也可以另外通過(guò)改變電阻R的分壓比(division ratio)來(lái)改變輸出電壓Vout。
當(dāng)輸出晶體管ptr導(dǎo)通時(shí)，一股電流通過(guò)輸出晶體管ptr從用來(lái)輸入輸入電壓Vin的輸入端流向電容C且流向內(nèi)部電路104。添加電容C以便于使輸出電壓Vout的波動(dòng)保持在可為內(nèi)部電路104接受的范圍內(nèi)。由于電容C具有一個(gè)大電容值，所以它常從外部設(shè)置。
根據(jù)本發(fā)明的電源電路，通過(guò)把輸出晶體管部分設(shè)置在半導(dǎo)體芯片的外部輸入/輸出端附近，將電源電路中的線路電阻減到最少。這樣，改善了電源電路的DC/DC轉(zhuǎn)換性能。
另外，通過(guò)去除將按常規(guī)設(shè)置一保護(hù)二極管的區(qū)域的一部分面積，并且通過(guò)用一網(wǎng)式晶體管構(gòu)成輸出晶體管部分，減小了其上形成有電源電路的半導(dǎo)體芯片的區(qū)域。
此外，根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)確定半導(dǎo)體芯片上要設(shè)置一DC/DC電源電路元件的位置時(shí)，可以以一種類似用于其他I/O元件的方式處理具有電源電壓轉(zhuǎn)換功能的該DC/DC電源電路元件。這樣，可以生產(chǎn)一種高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，這種高性能與設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力無(wú)關(guān)。此外，可以生產(chǎn)一種柔性、高性能DC/DC轉(zhuǎn)換電路，該電路滿足系統(tǒng)LSI內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求而不會(huì)使設(shè)計(jì)者有負(fù)擔(dān)。
權(quán)利要求
1.一種形成于半導(dǎo)體芯片上的電源電路，包括一輸出晶體管部分，它輸出一電源電壓；和一控制電路，它用來(lái)控制輸出晶體管部分，其中輸出晶體管部分設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片的外部輸入/輸出端附近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中輸出晶體管部分有一浪涌保護(hù)功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電源電路，其中輸出晶體管部分包括一網(wǎng)式晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中該電源電路沿半導(dǎo)體芯片除其四角以外的周邊設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中該電源電路包括作為外部輸入/輸出端的以下各端用來(lái)輸出電源電壓的輸出端，用來(lái)將一電源電壓輸入給輸出晶體管部分的電源端，和用來(lái)將一地電壓輸入給輸出晶體管部分的接地端；電源端和接地端設(shè)置在輸出端附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中該電源電路包括作為外部輸入/輸出端的以下各端用來(lái)輸出電源電壓的多個(gè)輸出端，用來(lái)將一電源電壓輸入給輸出晶體管部分的多個(gè)電源端，和用來(lái)將一地電壓輸入給輸出晶體管部分的多個(gè)接地端；多個(gè)輸出端、多個(gè)電源端和多個(gè)接地端可以覆有同一種金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中該半導(dǎo)體芯片可以設(shè)置得使一接合線最短，該接合線將輸出晶體管部分與一封裝件連接在一起，該封裝件密封半導(dǎo)體芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電源電路，其中輸出晶體管部分和控制電路設(shè)置在一I/O元件排列區(qū)域中。
9.一種半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟確定一半導(dǎo)體芯片上多個(gè)I/O元件所要排列的位置，這多個(gè)I/O元件包括至少一個(gè)第一種I/O元件和至少一個(gè)第二種I/O元件，第一種I/O元件具有將第一電源電壓轉(zhuǎn)換為第二電源電壓的電源電壓轉(zhuǎn)換功能，而第二種I/O元件具有與第一種I/O元件不同的功能；和根據(jù)所確定的半導(dǎo)體芯片上的位置排列這多個(gè)I/O元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中至少一個(gè)第二種I/O元件包括一個(gè)用來(lái)輸入電源電壓的輸入電源焊盤元件；從第一I/O元件中輸出的第二電源電壓受到一平滑電路的平滑處理，該平滑電路設(shè)置在半導(dǎo)體芯片的外部；該平滑電路所產(chǎn)生的電源電壓可以通過(guò)輸入電源焊盤元件輸入給半導(dǎo)體芯片。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中輸入電源焊盤元件設(shè)置在被供給平滑電路所產(chǎn)生電源電壓的功能塊附近。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中第一I/O元件具有一控制端，該控制端用來(lái)輸入一控制信號(hào)，該控制信號(hào)表示要從多個(gè)電源電壓中產(chǎn)生的一個(gè)電源電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中第一I/O元件具有一控制端，該控制端用來(lái)輸入一控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制是執(zhí)行還是停止電源電壓轉(zhuǎn)換功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中該半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法還包括將至少一個(gè)功能塊設(shè)置為半導(dǎo)體芯片的一個(gè)內(nèi)部電路的步驟；和所述至少一個(gè)功能塊包括一功率調(diào)節(jié)電路，該功率調(diào)節(jié)電路根據(jù)一預(yù)定功能塊的工作狀態(tài)改變與該功能塊相對(duì)應(yīng)的第一I/O元件電源電壓轉(zhuǎn)換功能的模式。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中第一I/O元件包括一輸出晶體管部分和一控制部分，輸出晶體管部分用來(lái)將第一電源電壓轉(zhuǎn)換成第二電源電壓，而控制部分用來(lái)控制輸出晶體管部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中第一I/O元件的輸出晶體管部分具有一浪涌保護(hù)功能。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)方法，其中第一I/O元件的輸出晶體管部分包括一網(wǎng)式晶體管。
全文摘要
一種根據(jù)本發(fā)明的電源電路是形成于一半導(dǎo)體芯片上的電源電路,它包括:輸出一電源電壓的輸出晶體管部分;和用來(lái)控制輸出晶體管部分的控制電路。輸出晶體管部分設(shè)置在半導(dǎo)體芯片的外部輸入/輸出端附近。
文檔編號(hào)H01L27/088GK1272961SQ9980100
公開(kāi)日2000年11月8日 申請(qǐng)日期1999年2月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月23日
發(fā)明者山本明, 崎山史朗, 中平博幸, 木下雅善, 里見(jiàn)勝治, 梶原準(zhǔn), 山本真一 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社