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中川コンサルティング事務所 Toward system integration 車載用BCD on SOI

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Toward system integration車載用BCD on SOI

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Two SOI wafer structuresTwo SOI wafer structures

(1) SOI with n+ buried layer (デンソー)

(2) Simple SOI

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Substrate bias influence on on-resistance

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60V Lateral MOSFET

Accumulation layer

Vsub

1995 IEDM

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Toward system integration

• Small warpage: Fine lithography.• CMOS process compatible.• Integration of 4bit MPU was demonstrated in 1995.

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without buried layers with buried layers

npn pnp

48mm2 114mm2

Good Bip Tr. Without buried layers

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高温動作

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High Temperature OperationHigh Temperature OperationLeakage current vs. SOI thickness

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LIGBT in thinner SOI exhibits faster switching speedLIGBT in thinner SOI exhibits faster switching speedand less temperature dependenceand less temperature dependence

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SOI DiodeSOI Diode

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SOI

BU

bulkeff tSS )(11 +

+=ττ

リーク電流少なく、スイッチングスピードは速いリーク電流少なく、スイッチングスピードは速い

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Output voltage of bandgap reference circuit

200 200 ooCC operation of operation of bandgapbandgap reference circuitreference circuit

Block diagram

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250V 0.5A inverter IC

p+ p+

n-well

n+ n+

p-well

n+p+ p+

n- n

p+ n+n+p

npn-Tr p-MOS n-MOS Lateral IGBT

pn-well

Buried silicon dioxide

Trench

5μm

2μm

200200ooCC OperationOperation of thin SOI power ICsof thin SOI power ICs

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Block diagram of inverter IC

High Side Driver

Low Side Driver

LevelShifterControl

Logic

PWMGenerator

MultiProtection

Vcc

Vs

Output

VM

HoleSensorSignalInput U

VW

GND

IGBT FWD

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 50 100 150 200 250 300

Bandgap reference circuit performance as a function of temperature

Temperature [oC]

Out

put V

olta

ge [V

]

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Turn-off waveforms of lateral IGBTat 200oC

Drain Voltage : 50V/divDrain Current :200mA/div

Fall-time=0.5μsec

PWM frequency≧20kHz

Gate voltage : 5V/div

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200oC Operation of 250V 0.5A inverter IC

Bootstrap capacitor voltage5V/div

U-phase output current

Hole sensor signal

U-phase low side IGBT voltage

PCIM’98 Japan

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BBiiCD技術における微細化に向けた課題CD技術における微細化に向けた課題

中川 明夫

セミコンダクター社

低耐圧BCD技術低耐圧BCD技術

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DMOSDMOS・低いオン抵抗・低いオン抵抗

・破壊に強い!・破壊に強い!

・大電流素子が容易・大電流素子が容易

(ゲート配線:(ゲート配線:PolyPoly--Si Si ←←電流小さい)電流小さい)

なぜBCD技術か?なぜBCD技術か?

→→ Power IC Power IC の出力段の出力段DMOS vs. BipolarDMOS vs. Bipolar

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Application AreaUp to 100V Supply voltage

Analog

LED DriversLED Drivers

AutomotiveAutomotiveMotor Control Motor Control Audio AmplifiersAudio Amplifiers

SensorSensor

Transistor ArrayTransistor Array

Power Power ManagementManagement

Laser DiodeLaser DiodeDriversDrivers

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BCDの歴史

•DMOSFET Ron Improvement

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Vertical DMOS CMOS Bip

Drain

•Smart Power Concept in early 1980’s

Smart Power 縦型DMOS + 制御回路

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Smart Power: Vertical DMOShas lost advantage.

BCDBCD:: Lateral DMOSLateral DMOS ::reasonable costreasonable costlarge currentlarge currentmultimulti--outputoutput

Vertical DMOS CMOS Bip

Drain

p+ n+p

n+

n- n+

p

n+n-epi

pn

n-epi

n

n+p-well n-well

n

n+p-wellp-well

n+ n+p+ p+ p+

S GDG S D GS DC EB Cp-MOSn-MOSLateral DMOS npn

ppn n

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BCD技術 横型DMOS + 制御回路

•Smart Power Concept•BCD Technology

0.6μm design rule

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1

10

100

10 100

Breakdown Voltage (V)

RonA

(mΩ

mm

2)

Si Limit

: LDMOS: Vertical trench MOS: Bipolar

Lateral DMOS vs. Vertical Trench MOSFET

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Up Drain vertical DMOS LDMOS

Lateral DMOS vs. Vertical DMOS

LDMOS: Rds(on) is simply reduced depending on design rule

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従来のLDMOS 問題点----Low on-state breakdown voltage

Source

Gate

Drain

n+

p+ n+ p n+

p-epitaxial

p-well n-Resurf

15nm

elec

tric

ally

conn

ecte

d

Drain Voltage [V]

Dra

in C

urre

nt D

ensi

ty

[ ×10

4A

/cm

2]

VG = 0 VVBV = 30.2 V

0 10 20 300.0

2.0

1.0

VG = 5 VVBV = 13.9 VRON = 15.7mΩmm2

VG=1 V

VG = 3 V

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Electron current density

Source Gate Drain

negative

S G D

Net charge distribution

Vg=5V

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Net positive Resurf charge Net positive Resurf charge ρρnetnetunder a drain current of under a drain current of IIDD

ρnet = ρResurf dose − ΙD / qvs

ρResurf dose : original Resurf dose q : elementary electric charge vs : electron saturation velocity

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Adaptive Adaptive ResurfResurf----- Improvement of on-state breakdown voltage

SourceGate

Drain

n+

p+ n+ p n+p-well Resurf

LOCOS

p-epi

Conventional

Improved LDMOS with Adaptive Resurf

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Adaptive Resurf conceptNet space charge distribution

S G DVg=5V

negative

positive

negative

S G D

Conventional Adaptive Resurf

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Adaptive Resurf concept

ConventionalResurf

Adaptive Resurf

Off-state (Vg = 0 V)

compensated

positive

On-state (Vg = 5 V)

positive

neutral

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Effects of Adaptive Effects of Adaptive ResurfResurf

Conventional LDMOS Improved LDMOS

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Experimental ResultsI-V characteristics of n-channel LDMOS

15V LDMOS

0

20

40

60

0 5 10 15

Drain voltage (V)

Dra

in c

urre

nt (m

A)

Vgs=5V

Vgs=4V

Vgs=3V

Vgs=2V

Vgs=1VD

rain

Cur

rent

(m

A)

Drain Voltage (V)

Vgs=1V

Vgs=2V

Vgs=3V

Vgs=4V

Vgs=5V

25V LDMOS

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I-V characteristics of 25V p-channel LDMOS

Dra

in C

urr

ent

(m

A)

Drain Voltage (V)

Vgs=-2V

Vgs=-3V

Vgs=-4V

Vgs=-5V

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Electrical Characteristics for Developed LDMOS

6000V2500VMIL

300V300VESD level EIAJ

28mΩmm2180mΩmm2Rds(on)

30V45VOn-state

Breakdown Voltage

30V70VBreakdown voltage

25V LDMOS60V LDMOS

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-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

-5.00E-04 0.00E+00 5.00E-04 1.00E-03 1.50E-03 2.00E-03Time [sec]

Dra

in C

urre

nt [A

]

-1

0

1

2

3

4

5

Gat

e V

olta

ge

(V)

IdVg

Id

Vg

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

-1.00E-05 0.00E+00 1.00E-05 2.00E-05 3.00E-05 4.00E-05

Time [sec]

Vd[V

] Vg

[V]

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

Id[A

]Id

Vg

Vd

23µsec

負荷短絡 & UIS

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Top Metal thickness:1um

1

7

13

19

25

31

37

43

49

55

S_a

S_b

S_cS_d

S_eS_f

D_aD_b

D_cD_d

D_eD_f

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Norm

aliz

ed

Vds

Debi

as

0.8-0.9

0.7-0.8

0.6-0.7

0.5-0.6

0.4-0.5

0.3-0.4

SourceConnect

DrainConnect

Bonding PAD

2Al

432um

480um1Al

DS

大電流化: 電極配線抵抗

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2nd

Sour

ce M

etal

Lay

er

2nd

Dra

in M

etal

Lay

er

2nd

Sour

ce M

etal

Lay

er

2nd

Dra

in M

etal

Lay

er

Bonding PadW

1mm

1mm

拡大図

1st Metal

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100

90

80

70

60

50

40

0 2 4 6 8 102nd aluminum layer thickness

On

resi

stan

ce o

f 1m

m x

1m

m L

DM

OS

(mΩ

mm

2 )

W=500μm

250μm

50μm

シリコン素子抵抗=40 mΩmm2

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Cu electroplating - TI

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BGA and Bump’sreduces parasitic R & L

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Pch LDMOS

Nch LDMOS

Driver Circuits

Bump ball

The chip size : 20.3mm2

Evaluation PCBChip

12V 10A chip

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5V 20A 1chip DCDC Converter

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1チップ電源に最適なパワー段が必要

5V系と20V系のパワー段を開発

5V Power CMOS 20V Lateral DMOS

N+P+ N+

LDD N- LDD N-

ch imp

P-Well

P-sub

DrainSource

Gate

N+P+ N+

LDD N- LDD N-

ch imp

P-Well

P-sub

DrainSource

Gate

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20V MOSFET 構造

2-step n-implant LDMOS(Adaptive Resurf)

1-step n-implant LDMOS

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N-ch LDMOS 特性

000.0E+0

10.0E-3

20.0E-3

30.0E-3

40.0E-3

50.0E-3

60.0E-3

70.0E-3

0 5 10 15 20 25Drain-Source Voltage (V)

Dra

in C

urre

nt I

ds (A

)(a)Nch LDMOS(1-step n-implant)

(b)Nch LDMOS(2-step n-implant)

000.0E+0

10.0E-3

20.0E-3

30.0E-3

40.0E-3

50.0E-3

60.0E-3

70.0E-3

0 5 10 15 20 25Drain-Source Voltage (V)

Dra

in C

urre

nt I

ds (A

)(a)Nch LDMOS(1-step n-implant)

(b)Nch LDMOS(2-step n-implant)

(@Vgs=5V, Channel width=157um)

Avalanche current

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大電流素子の特性

Ron :9.7mRon :9.7mΩΩ(@Vgs=5V, Ids=5A)(@Vgs=5V, Ids=5A)

Ron :Ron :19.319.3mmΩΩ(@Vgs=5V, Ids=5A)(@Vgs=5V, Ids=5A)

(effective area =3.6mm2)

(effective area =3mm2)

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5V NchMOSArea 3.61mm2

RonA 8.1mΩmm2

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

-70.0E-3 -60.0E-3 -50.0E-3 -40.0E-3 -30.0E-3 -20.0E-3 -10.0E-3 000.0E+0

Vds (V)

Ids

(A

)

Ron=12.4mΩ(Vin=-5V、Ids=-4A)

5V PchMOSArea 3mm2

RonA 30.5mΩmm2

Ron=12.4mΩ

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

000.0E+0 10.0E-3 20.0E-3 30.0E-3 40.0E-3 50.0E-3 60.0E-3

VG=3V

3.5V

4V5V

Ron=4.25mΩ

VD (V)

I D(A

)

VD (V)

I D(A

)

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PCB

Thick Cu metal in PCB reduces interconnection resistance.

Assembled imageFlip chip

Interconnection resistance can be reduced Interconnection resistance can be reduced by by Bump Technology Bump Technology

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Single driver circuit layout

Dra

in C

urre

ntConcentrated Driver Circuit

Gate Current

Parasitic metal layer resistance & capacitance

LDMOS

Parasitic Gate Resistance

LoadSignal Bus Line

Dra

in C

urre

ntD

rain

Cur

rentConcentrated

Driver Circuit

Gate Current

Parasitic metal layer resistance & capacitance

LDMOS

Parasitic Gate Resistance

LoadSignal Bus Line

Concentrated Driver Circuit

Gate Current

Parasitic metal layer resistance & capacitance

LDMOS

Parasitic Gate Resistance

LoadSignal Bus Line

Gate inter-connection

Single driver

Non-uniform switching

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Distributed driver circuit layout

(@Switching frequency=780KHz, Input Voltage=12V, Load resistance=1.2Ω)

Distributed Driver Circuit

LDMOS

Gate Current

Signal Bus Line

Signal Current

Pre-driver circuit

Load

Dra

in C

urre

nt

Distributed Driver Circuit

LDMOS

Gate Current

Signal Bus Line

Signal Current

Pre-driver circuit

Load

Distributed Driver Circuit

LDMOS

Gate Current

Signal Bus Line

Signal Current

Pre-driver circuit

Load

Dra

in C

urre

ntD

rain

Cur

rent

Gate inter-connection

SegmentedLDMOS

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Switching waveforms

V(switching node)

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Measured efficiency vs. output current

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Vin=5V Vout=1.083V fsw=980kHz

20A operation

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 5 10 15 20 2560

65

70

75

80

85

90

95

100

0 5 10 15 20 25

Output Current (A)

Eff

icie

ncy

(%)

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Evaluation PCB Board

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微細化するパワーICプロセス

0.1um

1.0um

1990 1995 2000 2005 2010

0.6

0.350.3um

0.18

CMOS90nm90nm

0.13

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CMOS Logic area reduction

5858%%

4040%%

2121%%

6060%%

0.8μm 0.6μm 0.35μm 0.18μm 0.13μm

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5V LDMOSSpec

ific

On-

Res

ista

nce

(mΩ

/mm

2 )

なぜ微細化なのか?

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nch-LDMOS On-Resistance

Data from ISPSD(2000 to 2007),VLSA-TSA(2008)

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“Innovative lateral field plates by gate fingers on STI

regions in deep submicron CMOS” ISPSD’08A.Heringa, NXP-TSMC Research Center Leuven, Belgium

65nmCMOSプロセスを用いてマスク追加せずにLDMOSを作成する優れた手法。

ドレインのリサーフ条件を満たすためSTIを繰り返し入れることで平均の濃度を下げてリサーフ条

件を実現。今回は更にSTI上にフィールドプレートを設けることでSJと同じ原理でオン抵抗を下げ、

他社の0.18umBCDのLDMOS同等の特性を実現。今後、ファウンドリーを使うことが主流になる

中、優れた手法。

パワーICも65nmの時代へ

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ISPSD’09

Jan Sonský, NXP-TSMC Research Center; Gerben Doornbos, Anco Heringa, Michiel van Duuren, NXP Semiconductors;Jesús Pérez-González, NXP-TSMC Research Center

従来型のMOSFETと同等以上の特性可能

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TSMCTSMC ファウンドリーの参入ファウンドリーの参入

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ISPSD’2000, R. Williams, Advanced Analogic Technologies, Inc.

微細LSIの課題

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3.3V

1.8V

1.8V

1.5V

1.2V

1.2V

12V

5V

3.3V

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微細CMOSのCPU/SoCは消費電力大

SoCにDDコンを搭載して低速で良い回路ブロックの電源電圧を

ダイナミックに下げる。

SoC、CPU の Power Crisis

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CPU、SoCのPower Crisis

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CPUの高周波化の破綻

ISPSD’08 Plenary “Environmental Trends and Opportunities for Computer Power Delivery”Edward Stanford, Intel

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2003.9.1号

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PowerWise™ AVS System

SoC

PROCESSORCORE

PLL+REFERENCE OSC

EMBEDDEDMEMORY

HOUSEKEEPINGFUNCTIONS, RTC,

WAKEUPCONTROL….

PWI MASTER

ADVANCED POWERCONTROLLER (APC)

OTHERINTEGRATEDFUNCTIONS

Other EMU

IntegratedFunctions

EMU

PWI SLAVE

SPWISPWI

SCLKSCLK

GNDGND GNDGND

PWROKPWROK

RESETNRESETN

ENABLEENABLE

VBATVBATHPM

Registers

StateControl

I/O Interface

I/O Voltage Regulator

Memory VoltageRegulator

Fixed VoltageRegulator

Core VoltageRegulator (AVS)

Other Voltage Regulators

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Voltage Slewing

MPEG4 (with IEM)

10 ms

450 µs

350 mV

300 mV

70 µs

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ISPSD’04 “A High Efficiency Ultra-Deep Sub-Micron DC-DC Converter

for Microprocessor Applications”Byron Reed, Jun Chen, Valerian Mayega, Kevin Ovens, and Sami Issa, Texas Instruments

• First pass design of the DC-DC converter was done in a baseline 90nm process.

• It is a discrete converter that uses a serial bus for communication of the voltage level to OMAPTM.

• For future 90nm and 65nm designs the SmartReflexTM DC-DC converter will be integrated with OMAPTM.

• No unique design techniques are used in the 90nm baseline process that will prevent it from being migrated to the 65nm baseline process.

Silicon

NwellNwell

Comp.Pwell

POLYPOLY

Pocket N+ Pocket N+

SILICIDE

SILICIDE

Low Voltage PMOS DE-PMOS

OXIDE

OXIDELDDLD

D P+ P+P+P+ N+N+ STI STISTISTI

NITRIDE

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DC-DC Converter Output Stage

• MP1 is an HVG (1.8V) device.

• MN2 is a LV device.

• MDEP2 and MDEN1 are drain extended HVG devices.

• PBIAS is a bias voltage referenced from VBAT.

• Advantages of this cascode structure:

Allows high voltage operation.

Has less off mode leakage.

Has smaller gate capacitance that has to be switched than if a single DE device was used.

VBAT

MP1

MDEP2

MDEN1

MN2

PBIAS

VDD_LV

L

RloadC

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Simulated Efficiency VS Load Current

• Vin = 3.6V

• Vout = 1.3V

• PWM mode from 100mA to 400mA

• PFM mode from 100uA to 50mA

• Includes parasitic resistances

50556065707580859095

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Load Current (A)

Effic

ienc

y (%

)

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APEC 2010 APEC 2010 Special Session Special Session 11.4.2 .4.2 A 60MHz 50W FineA 60MHz 50W Fine--Grain Package Integrated VR Powering a CPU from 3.3V Grain Package Integrated VR Powering a CPU from 3.3V G. G. SchromSchrom, F. , F. FailletFaillet, J. Hahn, Intel, Santa Clara, CA , J. Hahn, Intel, Santa Clara, CA

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結論

・エコ社会実現には既存インフラ・システムの

変革が必要であり高耐圧ICが重要な役割を

持つ。

・IT社会では多数の電源電圧があり、DCDC変換の効率向上が課題。