Integrated through-silicon-via-based inductor design in buck converter for improved efficiency

Abstract

Through-silicon-via (TSV) is one of the most important components of 3D integrated circuits. Similar to two-dimensional circuits, the performance evaluation of 3D circuits depends on both the quality factor and inductance. Therefore, accurate TSV-inductor modeling is required for the design and analysis of 3D integrated circuits. Aim. This work proposes the equivalent circuit model of the TSV inductor to derive the relations that determine both the quality factor and the inductance by Y-parameters. Methods. The model developed was simulated using MATLAB software, and it was used to evaluate the effect of redistribution lines width, TSV radius, and the number of turns on inductance and quality factor. Additionally, a comparative study was presented between TSV-based inductors and conventional inductors (i.e., spiral and racetrack inductors). Results. These studies show that replacing conventional inductors with TSV-inductors improved the quality factor by 64 % compared to a spiral inductor and 60 % compared to a racetrack inductor. Furthermore, the area of the TSV-inductor was reduced up to 1.2 mm². Using a PSIM simulator, the application of an integrated TSV-inductor in a buck converter was studied, and the simulation gave very good results in 3D integration compared to 2D integration. Moreover, the simulation results demonstrated that using a TSV-inductor in a buck converter could increase its efficiency by up to 15 % and 6 % compared to spiral and racetrack inductors, respectively.Наскрізне з'єднання кремнію (TSV) є одним з найважливіших компонентів тривимірних інтегральних схем. Подібно до двовимірних схем, оцінка продуктивності тривимірних схем залежить як від добротності, так і від індуктивності. Тому для проєктування та аналізу тривимірних інтегральних схем необхідне точне моделювання TSV-індуктора. Мета. У цій роботі пропонується еквівалентна модель схеми TSV-індуктора для виведення співвідношень, що визначають як добротність, так і індуктивність за Y-параметрами. Методи. Розроблена модель була змодельована з використанням програмного забезпечення MATLAB та використана для оцінки впливу ширини ліній перерозподілу, радіусу TSV та кількості витків на індуктивність та добротність. Крім того, було представлено порівняльне дослідження між індукторами на основі TSV та звичайними індукторами (тобто спіральними та індукторами типу бігова доріжка). Результати. Ці дослідження показують, що заміна звичайних індукторів на TSV-індуктори покращила добротність на 64 % порівняно зі спіральним індуктором і на 60 % порівняно з індуктором типу бігова доріжка. Крім того, площа TSV-індуктора була зменшена до 1,2 мм². За допомогою симулятора PSIM було вивчено застосування вбудованого дроселя TSV в знижувальному перетворювачі, і моделювання дало дуже хороші результати при 3D-інтеграції порівняно з 2D-інтеграцією. Більш того, результати моделювання показали, що використання TSV-індуктора в понижувальному перетворювачі дозволяє підвищити його ефективність до 15% та 6 % порівняно зі спіральними індукторами та індукторами типу бігова доріжка відповідно.