(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互結合されたパワーレギュレータのアレイを備えるマイクロ電子パワー供給システムであって、該アレイ中の各レギュレータは、マイクロ電子デバイスの一部にパワーを供給するように構成される、マイクロ電子パワー供給システム。
【請求項２】
前記アレイに結合された中間レギュレータをさらに備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項３】
前記中間レギュレータはスイッチングパワーレギュレータである、請求項２に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項４】
前記中間レギュレータは、マイクロ電子デバイスおよび前記パワーレギュレータアレイにパワーを提供する、請求項３に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項５】
パワー変換器をさらに備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項６】
前記パワーレギュレータアレイに結合された電子素子をさらに備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項７】
前記電子素子はコンデンサを備える、請求項６に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項８】
前記アレイはＳｉＧｅを用いて形成される、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項９】
前記アレイのパワーレギュレータは、線形レギュレータを備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項１０】
前記アレイのレギュレータのうち少なくとも１つは、トランジスタおよびエラー増幅器を備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項１１】
前記アレイの複数のレギュレータは、互いに平行に結合される、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項１２】
前記レギュレータアレイの複数のコレクタ領域は、相互結合される、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項１３】
前記アレイは導電性バンプを備える、請求項１に記載のマイクロ電子パワー供給システム。
【請求項１４】
相互に平行に結合された複数のレギュレータを備え、およそ１１０アンペアをおよそ５００ＭＨｚで供給するように構成されたマイクロ電子レギュレータアレイ。
【請求項１５】
前記レギュレータのコレクタ領域の少なくとも一部は相互結合される、請求項１４に記載のマイクロ電子レギュレータアレイ。
【請求項１６】
中間パワーレギュレータと、
複数のパワーレギュレータを備えるレギュレータアレイであって、該複数のパワーレギュレータの少なくとも一部は、共通電圧ソースに結合される、レギュレータアレイと、
を備える、階層型パワー制御システム。
【請求項１７】
前記中間パワーレギュレータはスイッチングレギュレータである、請求項１６に記載の階層型パワー制御システム。
【請求項１８】
前記複数のレギュレータのうち少なくとも１つは線形パワーレギュレータである、請求項１６に記載の階層型パワーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は概して、マイクロ電子デバイスに関する。より詳細には、本発明は、パワー制御用途に適したマイクロ電子デバイスに関する。
【０００２】
（発明の背景）
マイクロプロセッサなどのマイクロ電子デバイスに供給されるパワーを所望でありかつ制御されたパワーにするために、レギュレータが用いられることが多い。例えば、バックレギュレータなどのスイッチングレギュレータを用いて電圧を（例えば、およそ３．３ボルトから）逓減させて、適切なパワー（例えば、およそ１０〜３０アンペアおよびおよそ２〜３ボルト）をマイクロプロセッサに与えることが多い。
【０００３】
マイクロプロセッサの速度向上およびコスト低減を狙って、マイクロプロセッサゲートの数とその集積度は高まる傾向となっており、一方、ゲートあたりのマイクロプロセッサのサイズは小型化の傾向を見せている。マイクロプロセッサのゲート数、速度、および集積度が上昇すれば、マイクロプロセッサに必要なパワーを供給するのがそれだけ困難となる。例えば、プロセッサ駆動に必要な電流は、プロセッサのゲート数が増加するにつれておおむね増大する。その上、プロセッサ表面面積あたりのゲート数が増加すると、プロセッサの動作電圧を低下させなければならなくなることが多い。動作電圧の低下が必要な主な理由は、プロセッサのパワー消費を全体的に低減させるためである。さらに、マイクロプロセッサ速度が上昇すると、高速におけるマイクロプロセッサに必要な電流も上昇する。
【０００４】
バックレギュレータの場合、特定のマイクロプロセッサへのパワーを制御する用途にはおおむね適しているものの、比較的高い速度（例えば、およそ５００ＭＨｚよりも速い速度）で比較的高い電流（例えば、およそ３０アンペアよりも高い電流）を供給する用途にはあまり向いていない。バックレギュレータがマイクロプロセッサへの高速での高電流供給に向いていない１つの理由としては、電流がバックレギュレータからプロセッサに供給される際、プロセッサをレギュレータに結合させるプリント回路基板の一部を含むことの多い導電性経路にその電流を通過させなければならない点がある。このプロセッサとレギュレータとの間にある比較的長い導電性経路のために、レギュレータは、プロセッサへの電流供給可能速度が遅くなる。さらには、マイクロプロセッサの速度および電流要求が高くなるだけで、バックコントローラは、所望の量の電流を所望の速度で供給することができなくなる。
【０００５】
バックレギュレータのさらに別の問題点は、所望の値のおよそ±５％以内のパワーを供給するように構成されている場合が多い点である。比較的低電流で動作するプロセッサの場合、この範囲は受容可能であり得るものの、マイクロプロセッサに必要な電流が増加すると、この範囲が受容可能となる可能性も低くなる。そのため、マイクロプロセッサのゲート数とクロック速度とが増加した場合、高電流を高速かつ低電圧で供給する向上した方法および装置が望まれる。さらに、比較的高い電流を比較的厳密な公差内で供給する方法および装置も望まれている。
【０００６】
（発明の要旨）
本発明は、制御されたパワーをマイクロ電子デバイスに提供する、向上した装置および技術を提供する。より詳細には、本発明は、比較的高い速度で比較的高い制御された電流を電子デバイスに供給する、向上したデバイスおよび方法を提供する。
【０００７】
以下、現在公知のレギュレータおよびパワー供給システムの上記欠点に本発明により対処する方法について、より詳細に説明する。しかし、本発明は概して、単一のマイクロ電子デバイスにパワーを供給するパワーレギュレータアレイを供給するものである。
【０００８】
本発明の例示的実施形態によれば、レギュレータのアレイを、マイクロプロセッサにパワーを供給するような構成にする。この実施形態の一局面によれば、上記アレイを半導体基板上の集積回路として形成する。この実施形態のさらなる局面によれば、上記回路は、比較的短い導電性経路を通じてマイクロプロセッサに（例えば、上記回路を、バンプ相互接続を介して上記デバイスに結合させることにより）結合される。この実施形態のさらなる局面によれば、デバイスへの電流供給の高速化を容易にするために、上記アレイ回路は、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板上に形成される。
【０００９】
本発明のさらなる例示的実施形態によれば、階層型パワー制御システムの構成を、マイクロ電子デバイスにパワーを供給するような構成にする。上記階層型システムは、少なくとも２つのパワー制御レベルを含む。この実施形態の例示的局面によれば、第１のレベルのパワー制御は、スイッチングレギュレータを含み、第２のレベルの制御は、線形レギュレータを含む。この実施形態のさらなる局面によれば、上記第２のレベルの制御は、線形レギュレータのアレイを含む。
【００１０】
（例示的実施形態の詳細な説明）
本発明は概して、マイクロ電子パワーレギュレータに関する。より詳細には、本発明は、マイクロ電子デバイスと、レギュレータを含む電子システムとに高電流パワーを高速で提供するのに適したレギュレータに関する。本発明は、様々なマイクロ電子デバイスへのパワー供給用途に用いることが可能であるが、以下においては、便宜上、本発明をマイクロプロセッサへのパワー供給に関連付けながら説明する。
【００１１】
本発明による例示的パワー供給システム１００を図１中に模式的に示す。図示のように、システム１００は、中間レギュレータ１１０と、レギュレータ１２０（ａ）〜１２０（ｎ）を含むレギュレータアレイ１２０と、マイクロプロセッサ１３０とを含む。また、このシステム１００に、パワー変換器１４０と、１つ以上の別個の電子素子（これらの素子をまとめて素子１５０として図示する）とを設けると適切である。
【００１２】
一般的には、システム１００の構成は、比較的低電圧（例えば、およそ１ボルトまたはそれ以下まで）でかつ比較的短い応答時間で比較的高い電流（例えば、３０〜１００アンペア以上）を提供するような構成になっている。以下により詳細に説明するように、本発明によれば、システム１００は、複数のレギュレータ（例えば、レギュレータ１１０および／またはレギュレータ１２０（ａ）〜１２０（ｎ））に対するパワー制御デューティを分散させることにより、高電流パワーをマイクロプロセッサ１３０に供給する。
【００１３】
システム１００の変換器１４０の構成は、典型的なＡＣパワー出口からの交流（ＡＣ）パワーを直流（ＤＣ）パワーに変換して、例えば、適切なＤＣパワーをコンピュータのマザーボードに供給するような構成におおむねなっている。例えば、本発明の例示的実施形態の一局面によれば、変換器１４０の構成は、およそ１アンペア〜およそ２０アンペアで１１０ボルトのＡＣパワーをおよそ３．３ボルト〜およそ１５ボルトのＤＣパワーに変換するような構成になっている。この実施形態の一局面によれば、変換器１４０は、例えば、マザーボードに結合可能な様々な種類のマイクロ電子デバイスへパワーを供給するための複数のＤＣパワー出力（例えば、およそ１アンペアでおよそ１２ボルト、およそ５アンペアでおよそ５ボルト、およそ３０アンペアでおよそ３．３ボルト）を含む。本発明の別の実施形態によれば、変換器１４０は、任意の数のＤＣパワー出力を含むことができ、各出力と関連付けられたパワーの量は、変換器１４０の出力に結合されたデバイスの種類に応じて変化し得る。
【００１４】
中間レギュレータ１１０はＤＣ／ＤＣ変換器であり、変換器１４０からの出力をより高い電流およびより低い電圧パワーに変換するように設計されている。本発明の例示的実施形態によれば、レギュレータ１１０は、パワー（例えば、３０アンペアで３．３ボルト）を変換器１４０から受け取り、そのパワーをおよそ１００アンペアでおよそ１．１５ボルトに変換する。レギュレータ１１０は、線形レギュレータ、スイッチングレギュレータ、または他の任意の適切な種類のパワーコントローラであればよい。しかし、本発明の例示的実施形態によれば、レギュレータ１１０は、バックレギュレータなどのスイッチングレギュレータを含む。
【００１５】
システム１００は、高速応答パワーのレギュレータ１１０からアレイ１２０へ移動を容易にするための別個の素子１５０をさらに任意選択として含んでもよい。詳細には、素子１５０は、アレイ１２０が適切な電荷を蓄電し、レギュレータ１１０からのパワーを必要とした際のエネルギーを放電するコンデンサを含んでもよい。
【００１６】
レギュレータ１２０の構成は概して、比較的短い応答時間（例えば、５００ＭＨｚ以上の速度）で高電流（例えば、１００アンペア以上まで）パワーをマイクロプロセッサ１３０に供給するような構成になっている。本発明の例示的実施形態によれば、アレイ１２０は、１つ以上のパワーレギュレータ（例えば、レギュレータ１１０および／または素子１５０から受信したパワーを変換し、このパワーをマイクロプロセッサ１３０に適した高電流で低電圧のパワーに変換するような構成になっているレギュレータ１２０（ａ）〜１２０（ｎ））を含む。
【００１７】
アレイ１２０は、任意の数のレギュレータを含んでもよく、レギュレータの構成様式およびプロセッサ１３０への結合様式にはさまざまなものがある。例えば、アレイ１２０は、複数の（ｎ個）の実質的に同一のレギュレータを含み得る。ここで、各レギュレータは、プロセッサ１３０の動作パワーの１／ｎをプロセッサ１３０に供給するように構成されている。しかし、本発明の別の実施形態によれば、アレイ１２０の構成を、プロセッサ１３０の様々な部分にパワーを提供するような構成の様々なサイズのレギュレータと共に構成してもよい。例えば、アレイ１２０は、入力バッファ／出力バッファにパワーを提供するための比較的高電流のレギュレータと、マイクロプロセッサの論理ユニットにパワーを供給するための比較的低電流のレギュレータとを含み得る。
【００１８】
図２は、本発明の別の実施形態によるパワー供給システム２００を示す。システム１００と同様に、システム２００は概して、中間レギュレータ２１０と、レギュレータ２２０（ａ）〜２２０（ｎ）を含むレギュレータアレイ２２０と、マイクロプロセッサ２３０と、任意選択のパワー変換器２４０および素子２５０とを含む。
【００１９】
システム２００の構成は、マイクロプロセッサ２３０に供給されるパワーの一部がレギュレータ２１０から得られるような構成になっている。例えば、この実施形態の一局面によれば、レギュレータ２１０は、マイクロプロセッサ２３０の入力／出力接触部分および／またはマイクロプロセッサ２３０の浮動点接触にパワーを供給する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、システム２００の構成を、レギュレータ１１０がマイクロプロセッサ２３０の任意の部分にパワーを供給するような適切な構成にすることも可能である。
【００２０】
図３はアレイ３００の模式図であり、本発明の例示的実施形態に従って、レギュレータ３１０、３２０、３３０および３４０を共通電圧基準３５０に接続した様子を示す。図３に示す実施形態によれば、各レギュレータ３１０〜３４０は、（基準電圧において）実質的に同じパワーをマイクロプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ１３０）に供給するように構成されている。
【００２１】
レギュレータ３１０〜３４０は、スイッチングレギュレータ、線形レギュレータ、これらの組み合わせ、またはパワー制御に適した他のデバイスを含み得る。本発明の例示的実施形態によれば、レギュレータ３１０〜３４０は線形レギュレータであり、各レギュレータ３１０〜３４０は、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ３１２、３２２、３３２および３４２）と、エラー増幅器（例えば、エラー増幅器３１４、３２４、３３４、および３４４）と、電圧ソース（例えば、ソース３１６、３２６、３３６、および３４６）とを適切に含む。
【００２２】
上述したように、レギュレータ３１０〜３４０の構成は、プロセッサ１３０への出力パワー提供を電圧基準３５０と実質的に等しい電圧で行うようにおおむね構成されている。しかし、レギュレータ３１０〜３４０にトリミングを行って、出力電圧が基準電圧のおよそ
【数１】
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となるようにしてもよい。本発明の別の実施形態によれば、アレイ３００は、１つ以上のレギュレータを各基準に接続した様態で、複数の電圧基準を様々な電圧で含み得る。複数の電圧基準を用いると、マイクロプロセッサ１３０の様々な部分に対するパワー制御を様々な電圧レベルで行うことができる。
【００２３】
本発明の例示的実施形態によれば、全てのレギュレータ（例えば、レギュレータ３１０、３２０、３３０、および３４０）を共に並行に適切に結合させて、各レギュレータを共通基準電圧に接続させるだけでなく、各レギュレータアレイ３００も共通コレクタ構造に接続させる。このようにしてアレイ内にレギュレータを並列結合すると、アレイ３００の電流出力の総計（これは、アレイ３００内の各レギュレータからの電流出力の総計と等しい）が得られる。そのため、アレイ内においてより小型のレギュレータを用いてマイクロプロセッサ１３０の部分（単数または複数に電流を提供するため、大型のレギュレータによる時間遅延が軽減する。言い換えると、マイクロプロセッサ１３０は、必要な電流供給の際、単一の大型のレギュレータに依存しない。
【００２４】
アレイ１２０とマイクロプロセッサ１３０またはその一部との間の導電性経路を比較的短くして、アレイ（例えば、アレイ１２０）とマイクロプロセッサ１３０との間の寄生インダクタンスによる影響を低減すると好ましい。また、アレイ１２０とマイクロプロセッサ１３０との間の導電性経路を比較的短くすると、素子間の距離が小さくなることによってアレイ１２０とプロセッサ１３０との間の寄生インダクタンスがおおむね低減するため、さらに有利である。アレイ１２０とマイクロプロセッサ１３０との間に比較的短い導電性経路を供給する本発明による１つの技術は、導電性バンプ（例えば、制御圧壊チップ接続（Ｃ４（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ））バンプを用いてアレイ１２０をプロセッサ１３０に結合する技術である。この実施形態の様々な局面によれば、アレイ１２０をマイクロプロセッサ１３０に直接結合させてもよいし、あるいは、アレイ１２０を、マイクロプロセッサ１３０を含むパッケージに適切に結合させてもよい。
【００２５】
アレイ１２０のレギュレータ１２０（ａ）〜１２０（ｎ）からプロセッサ１３０への高速パワー送達を容易にするために、電子移動度が比較的高い半導体基板（例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）など）上にレギュレータ１２０（ａ）〜１２０（ｎ）を形成する。ＳｉＧｅまたは電子移動度が比較的高い類似の基板上にレギュレータを形成すると、レギュレータ１２０とマイクロプロセッサ１３０との間のパワー移動速度が比較的高速になる（例えば、移動速度のオーダーがＧＨｚ単位になる）。さらに、ＳｉＧｅのような半導電性の基板は従来の半導体材料と比較して電流密度が比較的高いため、シリコンなどの電流密度が低い材料の基板の場合と比較して、ＳｉＧｅ表面面積あたりにより多くのトランジスタを形成することが可能となる。
【００２６】
本発明の別の実施形態によれば、レギュレータアレイおよびマイクロプロセッサ１３０は、（例えば、ＳｉＧｅまたは他の適切な半導電性材料で形成された）単一の半導電性基板上に形成される。アレイおよびマイクロプロセッサを単一の基板上に集積化すると、アレイからマイクロプロセッサへのパワー供給速度がさらに速くなる。このようにアレイを一体型にすると、マイクロプロセッサ全体またはその一部にパワーを供給することが可能となり、また、このようなアレイをアレイ（例えば、図１に示すアレイ１２０）に加えてまたはその代わりに用いることが可能となる。
【００２７】
本明細書中、本発明について添付図面の文脈において説明してきたが、本発明はこのような記載の特定の形態に限定されないことが理解されるべきである。例えば、便宜上本発明の説明を別個のマイクロプロセッサへのパワー供給と関連して行っているが、本発明は、複数のマイクロ電子デバイスへのパワー供給用途にも適切に用いることが可能である。本明細書中に記載の方法および装置の設計および構成には、本明細書中の特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な他の改変、変更および向上を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の例示的実施形態によるパワー制御システムを示す。
【図２】図２は、本発明の別の実施形態によるパワー制御システムを示す。
【図３】図３は、本発明の例示的実施形態によるレギュレータアレイの一部を模式的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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