I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b er   20 25 ,   p p .   5 2 2 3 ~ 5 2 3 3   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 6 . pp 5 2 2 3 - 5 2 3 3           5223       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   O ptimi za tion o a   lev el shif ter  i nteg ra ted  wi th  a  ga te  driv er  using   TSM C 13 0   nm CM O t echn o lo g y       H icha m   G uis s i,  K ha dija   Sla o ui   LI S A C   La b o r a t o r y ,   D e p a r t me n t   o f   P h y si c s ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e s ,   F e z - A t l a s,  M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 4 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u l 2 6 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Sep   1 6 ,   2 0 2 5       M o d e r n   e lec tro n ic  sy ste m in c r e a sin g ly   o p e ra te  a c ro ss   m u lt ip l e   v o lt a g e   d o m a in s,  n e c e ss it a ti n g   r o b u st  a n d   e fficie n t   lev e s h ift e (L S c ircu it to   e n su re   re li a b le  in ter - d o m a in   c o m m u n ica ti o n .   In   l o w - p o we d ig it a l   a p p li c a ti o n s,  m in imiz in g   p r o p a g a ti o n   d e lay   a n d   tran siti o n   ti m e   is  c rit ica fo r   a c h iev in g   h i g h - sp e e d   a n d   e n e rg y - e fficie n o p e ra ti o n .   T h is  wo r k   p re se n ts  a   h ig h - p e rfo rm a n c e   lev e sh ift e r   o p ti m ize d   fo i n teg ra ti o n   wit h in   Li - io n   b a tt e ry   c h a r g e sy ste m s.  T h e   p ro p o se d   d e sig n   a c h ie v e a   s u b sta n ti a l   re d u c ti o n   in   p r o p a g a ti o n   d e lay s   fro m   0 . 1 5   to   0 . 0 9 0 6 2 n wh il e   p re se rv in g   sig n a in teg r it y .   W h e n   in te g ra ted   wit h   a   g a te  d riv e r,   t h e   o v e ra l stru c t u re   e x h ib it a   p ro p a g a ti o n   d e lay   o f   0 . 2 0 4 6 8 n a n d   a   tran siti o n   ti m e   o f   0 . 0 1 4  n s,   m a rk in g   a   si g n ifi c a n imp r o v e m e n fro m   t h e   p re v io u 0 . 0 3 6  n s.   F u rth e rm o re ,   th e   p ro p o se d   c ircu it   o c c u p ies   o n l y   0 . 0 0 0 3 9  m m ²   o sil ico n   a re a ,   re p re se n ti n g   a   9 2 %   re d u c ti o n   c o m p a re d   t o   p rio imp lem e n tatio n ( 0 . 0 5  m m ² ).   Th e   c o m p lete   d e sig n   wa imp lem e n ted   u sin g   Taiwa n   se m i c o n d u c to r   m a n u fa c tu rin g   c o m p a n y   (TS M C)  1 3 0 n m   c o m p lem e n tary   m e tal o x id e se m ico n d u c to r   (CM OS)   tec h n o l o g y ,   wit h   b o th   sc h e m a ti c   sim u l a ti o n   a n d   lay o u c a rried   o u i n   th e   Ca d e n c e   Virtu o so   d e sig n   e n v ir o n m e n t.   Th e se   re su lt u n d e rsc o re   th e   p o te n ti a o th e   p ro p o se d   so l u ti o n   f o c o m p a c a n d   h ig h - e fficie n c y   sy ste m - on - c h i p   ( S o C)  b a tt e ry   m a n a g e m e n a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   Gate   d r iv er s   I n teg r ated   cir c u its   L ev el  s h if ter     Li - io n   b atter y   ch ar g er s   Pro p ag atio n   d elay   T SMC   1 3 0   n m   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Hich am   Gu is s   L I SAC   L ab o r ato r y ,   De p ar tm e n t o f   Ph y s ics ,   Facu lty   o f   Scien ce s   Dh ar   E l M eh r ez   B . P.  1 7 9 6 ,   3 0 0 0 3   Fez - Atlas,  Mo r o cc o     E m ail: h ich am . g u is s i@ u s m b a. ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O   L ith iu m - io n   (Li - io n )   b atter ies  h av em er g ed   as  th lead i n g   en er g y   s to r ag tech n o lo g y ,   r ep lacin g   n ick el - ca d m iu m   ( NiC d )   a n d   n ick el - m etal  h y d r id e   ( NiMH )   b atter ies  d u e   to   t h eir   s u p e r i o r   en e r g y   d en s ity ,   lo n g er   cy cle  life ,   an d   m in im al  m ain ten an ce   r eq u ir em e n ts   [ 1 ] [ 2 ] .   T h p o wer   n ea r ly   all  m o d er n   p o r tab le   elec tr o n ic  d e v ices,  f r o m   s m a r tp h o n es  t o   elec tr ic  v e h icles,  wh ile  o f f e r in g   cr itical  ad v a n tag es  s u ch   as  h ig h   o p er atio n al  e f f icien cy   with o u m em o r y   ef f ec t,  f ast  ch ar g in g   ca p a b ilit ies,  an d   in teg r ated   s af ety   f ea tu r es   in clu d in g   p r o tectio n   ag ai n s o v er v o ltag e,   o v er cu r r en t,   an d   th er m al  e x tr em es  [ 3 ] .   Fu r th er m o r e,   th eir   lo we r   en v ir o n m en tal  to x icity   co m p ar ed   to   p r e v io u s   ch em is tr ies  co n tr ib u tes  to   th eir   wid esp r e ad   ad o p tio n   [ 4 ] .   T o   s u p p o r th ese  p e r f o r m an ce   r eq u ir em e n ts ,   L i - io n   b atter y   ch ar g er s   in te g r ate  s ev er al   f u n ctio n al   b lo ck s ,   in clu d in g   lev el  s h if ter s   ( L - S),   g ate  d r iv er s   ( G - D) ,   lo d r o p o u r eg u lato r   ( L DO ) ,   b o o t s tr ap   cir cu it,  p o wer   m etal o x id e s em ico n d u ct o r   ( MO S) ,   d ir ec cu r r en co n tr o ( DC C ) ,   d ir ec v o ltag co n tr o ( DVC),   an d   cu r r en t   s en s in g   cir cu it  ( C SC ) ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r 1 .   Am o n g   t h e s co m p o n e n ts ,   th lev el  s h if t er g ate  d r iv er   p air   p lay s   p iv o tal  r o le  in   e n s u r i n g   s ig n al  in teg r ity   ac r o s s   v o ltag d o m ain s   wh ile  m ain tain i n g   lo laten cy   an d   m in im al  p o wer   co n s u m p tio n .   T h is   wo r k   f o cu s es  o n   o p tim iz in g   th at   p air   t o   en h an ce   th o v er all  ef f icien c y   o f   th ch ar g e r   ar ch itectu r e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b e r   20 25 :   5 2 2 3 - 5 2 3 3   5224   L ev el  s h if ter   ( L S)  cir cu its   p lay   cr itical  r o le  in   s y s tem - on - ch ip   ( So C )   d esig n s ,   f ac ilit atin g   th in ter ac tio n   b etwe en   d is tin ct  v o ltag d o m ai n s   an d   en s u r in g   th at  s ig n als  f r o m   th lo v o lt ag d o m ai n   (  ca n   b c o r r ec tly   u n d er s to o d   in   th h ig h er   v o ltag e   d o m ain   (  )   an d   v ice  v er s a.   T h c o n v en tio n al  lev el   s h if ter   ( C L S)  s h o wn   in   Fig u r 2 ,   u s in g   1 0   tr a n s is to r s   an d   d ea ls   with   co m p lem en tar y   in p u s ig n als     an d      f r o m   t h lo v o lta g d o m ain ,   an d   an   o u tp u t sig n al    f r o m   th e   h ig h   v o ltag d o m ain .             Fig u r 1 .   Stru ctu r o f   th lith i u m - io n   b atter y   c h ar g er   ch ip           Fig u r 2 .   C o n v en tio n al  c r o s s - co u p led   h alf   latch       W h en   th in p u v o ltag    is   eq u al  to    ,   th tr an s is to r   M1   p u lls   d o wn   th   n o d e,   ca u s in g   th e     to   b e   ch ar g ed   t o      b y   M 4 .   At  t h at  p o in t,   th t r an s is to r   M2   p e r s is ts   o f f   b ec au s its   g ate - s o u r ce   v o ltag ( VGS)   is      wh ich   is   0   in   th is   ca s e.   Ho wev e r ,   t h er e   is   n o t ab le  co n f lict  b etwe en   th e   p u ll - u p   an d   p u ll - d o wn   n etwo r k s .   W h en        g o es  h ig h   ( r ea ch es   ) ,   M2   attem p ts   to   p u ll  d o wn   t h   n o d e,   ev e n   th o u g h   it   is   s im u ltan eo u s ly   b ein g   ch a r g ed   b y   tr a n s is to r   M4 .     T h is   s itu atio n   cr ea tes  co n ten tio n   b etwe en   th ese  o p p o s in g   ac tio n s .   C o n s eq u en tly ,   th i s   lead s   to   elev ated   d y n am ic  p o wer   c o n s u m p tio n   an d   ex ten d ed   d ela y s .   I is   ev id en th at  th is   lim i tati o n   u n d e r s co r es  th e   im p r ac ticality   o f   th e   co n v en t io n al  L ar ch itectu r e.   Nu m e r o u s   s tu d ies  h av b ee n   d o cu m en ted   aim in g   to   ad d r ess   th co n s tr ain ts   o f   C L S.  Fo r   ex am p le,   Z h ai  et  a l .   [ 5 ]   u s ed   ca s ca d o f   f o u r   s tag es  o f   C L to   tr an s f o r m   2 0 0   m s ig n al  in to   1 . 2   s ig n al.   Nev er th eles s ,   im p lem en tin g   s u ch   s o lu tio n   n ec ess itates  th e   u s o f   v o ltag r eg u lato r s ,   wh ich   in   tu r n   ad d s   ex tr c o m p lex ity   in   ter m s   o f   b o t h   s p ac an d   p o wer   co n s u m p tio n .   T h d esig n   o u tlin ed   in   [ 6 ]   u tili ze d   o n ly   two   C L S st ag es,  lin k in g   th f ir s t o n e   to   h ig h e r   v o ltag e   v ia  d io d co n n ec ted   NM O tr an s is to r ,   th is   ap p r o ac h   el im in ates  th n ec ess ity   f o r   in ter m ed iate  s u p p ly   v o ltag es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz a tio n   o f a   leve l sh ifter   in teg r a ted   w ith   a   g a te  d r iver u s in g     ( Gu is s i H ich a m )   5225   T h is   d esig n   d o es  n o t   attain   h i g h - s p ee d   p er f o r m a n ce .   As  r esu lt,  th er is   a n   u r g e n r e q u ir em en f o r   a   d ep en d a b le,   s p ee d y ,   an d   en e r g y - ef f icien cir cu it  d esig n   t o   en s u r th e   r o b u s tn ess   o f   l o w - p o wer   d esig n s .   Desig n   p r esen ted   in   [ 7 ] ,   wea k en ed   a n d   m itig ated   th e   p u ll - u p   n etwo r k   b y   c o n tr o llin g   its   c u r r en ts   th r o u g h   th u tili za tio n   o f   cu r r en m ir r o r ,   th is   ap p r o ac h   ac co m p lis h es  an   ex ten s iv o p er atio n al  r a n g b u co m es  at  th co s o f   s ig n if ican q u iescen c u r r en d is s ip atio n .   As  we  ar awa r th q u iescen cu r r e n is   v ital  p ar am eter   in   elec tr o n ic  cir cu its ,   esp ec ially   in   b atter y - p o wer e d   d ev ices   o r   lo w - p o wer   ap p licatio n s ,   wh er m in im izin g   p o wer   co n s u m p tio n   d u r in g   s t an d b y   o r   i d le  m o d es  is   ess en t ial  f o r   ex te n d in g   b atter y   life   o r   r ed u cin g   o v er all   p o wer   u s ag e,   th er ef o r d esi g n   p r esen te d   in   [ 8 ]   m a n ag ed   to   av o id   th is   s ig n if ican t   s tatic  cu r r en b y   im p lem en tin g   le v el  s h if ter   b ased   o n   th W ils o n   cu r r en t m i r r o r .     T h is   d esig n   b o o s ts   en er g y   ef f icien cy   b y   ce asin g   t h f lo o f   cu r r e n as  s o o n   as  th d esir ed   o u tp u t   lev el  is   attain ed .   Nev e r th eless ,   th m ec h an is m   in v o lv in g   n e g ativ f ee d b ac k   in tr o d u ce s   a   d e lay   in   c h ar g in g   th e   o u tp u n o d e ,   co n s eq u en tly   im p ac tin g   o p er atio n al   s p ee d   a n d   d y n a m ic  p o wer   d is s ip atio n .   Ad d itio n ally ,   f o r   h ig h      lev el,   th e   o u tp u n o d o f   th cu r r en m i r r o r   is   lef f lo at in g ,   lead in g   to   n o tab le  ad v er s ef f ec o n   th e   o u tp u b u f f er .   So m m o d if ied   d esig n s   b ased   o n   th W ils o n   cu r r en m ir r o r   h av b ee n   s u g g ested   as  well,   b u t   th ese  ch an g es o n l y   o f f er   s lig h t   im p r o v e m en ts   in   ter m s   o f   d el ay   an d   p o wer   c o n s u m p tio n   [ 9 ] [ 1 0 ]   I n   th is   p ap er ,   we  im p lem en a   h ig h ly   ef f icien v o ltag lev el  s h if ter   u s in g   W ils o n   cu r r en m ir r o r   with   Gate   Dr iv er   t h at  is   in te n d ed   t o   b e   u s ed   in   th b atter y   ch ar g er   ch ip .   th at   ca n   n o tab ly   r ed u ce   tim d elay ,   t o tal  ar ea   an d   we  co n d u cted   co m p ar is o n   b etwe en   o u r   ad v an ce d   L with   o th e r   s tu d ies   [ 1 1 ] [ 1 6 ] ,   th at  d el v in to   th ap p licatio n   o f   lev el  s h if te r s   ac r o s s   v ar io u s   d o m ain s ,   ea ch   ch ar ac ter ize d   b y   v a r y in g   p r o p a g atio n   d elay s   th at  u ltima tely   in f lu e n ce   th e   s p ee d .   I n   th is   wo r k ,   we  p r esen an   o p tim ized   L S - GD  im p le m en tatio n   in   T SMC   130   n m   C MO th at  s im u ltan eo u s ly   im p r o v es  th r ee   k e y   m etr ics:   i )   p r o p ag atio n   d elay   ( r ed u ce d   b y   4 0 %),   ii )   tr an s itio n   tim ( 6 1 f aster ) ,   an d   iii )   lay o u ar ea   ( 9 2 s m aller ) ,   with   ex tr em ely   s h o r an d   n e g lig ib le   d if f er en ce s   b etwe en   th r is tr an s itio n   tim an d   f all  tr a n s itio n   tim wh ich   g i v u s   v e r y   s t ab le  cir cu it.  I n   th is   p ap er ,   p r e - d r iv er   s tag is   e m p lo y ed   to   m in im ize  s ig n al  p r o p a g atio n   d ela y   b y   ca r ef u ll y   s elec tin g   b o th   t h e   n u m b er   o f   i n v er ter   s tag es a n d   th o p tim al  tr an s is to r   s izin g   r a tio s   at  ea ch   s tag e.   T h r em ain d e r   o f   th is   ar ticle  is   o r g an ized   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   b r ief ly   in tr o d u c es  th b atter y   ch ar g er s   k ey   f u n ctio n al   b lo c k s .   Sectio n   3   p r esen ts   th e   co m p r eh en s iv e   th eo r etica b asis   an d   d esig n   d etails  o f   th p r o p o s ed   lev el  s h if ter - g ate  d r iv er   ( L S - GD)   cir cu i t.  Sectio n   4   d is cu s s e s   s im u latio n   r esu lts   an d   co m p ar is o n s   with   p r i o r   wo r k .   Fin ally ,   s ec tio n   5   co n cl u d es th s tu d y .       2.   B AT T E RY   CH ARG E AR CH I T E CT URE O V E RV I E W   L ith iu m - io n   b atter y   ch ar g e r   a r ch itectu r co m p r is es  m u ltip l f u n ctio n al  b lo c k s   o r g an ized   in to   f o u r   cr itical  s u b s y s tem s ,   a s   illu s tr ated   in   Fig u r 1 .   in clu d p o wer   m an ag em en t,  co n tr o l,  s e n s in g ,   an d   s ig n al  in ter f ac in g   cir cu its .   T h is   m o d u lar   d esig n   e n s u r es  th r ee   k ey   o p er atio n al  r eq u ir e m e n ts s af ch ar g in g   co n d itio n s ,   h i g h   p o wer   c o n v er s io n   ef f icien cy ,   an d   o p tim a p er f o r m an ce   ac r o s s   all  ch ar g in g   p h ases .   E ac h   s u b s y s tem   ad d r ess es a   co r f u n ctio n al  r eq u ir em en t:   a.   Po wer   m an ag em e n t :     L DO   r eg u lato r   [ 1 7 ] p r o v id es  s tab le  lo w - v o ltag s u p p l y   f o r   co n tr o l c ir c u its   with   m in im al  d r o p o u t.     B o o ts tr ap   cir cu it  [ 1 8 ] [ 1 9 ] : g e n er ates g ate - d r iv e   v o ltag es a b o v th m ai n   s u p p ly   r ai  l .   b.   C o n tr o l:     Dir ec cu r r en t c o n tr o ( DC C )   [ 2 0 ] m ain tain s   co n s tan t - cu r r e n t c h ar g in g   d u r in g   in itial p h ases .     Dir ec v o ltag co n t r o ( DVC)  [ 2 1 ] :   r e g u lates  v o ltag d u r in g   f in al  ch ar g i n g   s tag es .   c.   Sen s in g :     C u r r en s en s in g   cir cu it  ( C SC )   [ 2 2 ] :   ac c u r ately   m o n ito r s   ch ar g in g   cu r r en t f o r   s y s tem   f ee d b a ck .   d.   Sig n al  in ter f ac in g :     L ev el  s h if ter   ( L S)   [ 1 1 ] [ 1 6 ] ,   [ 2 3 ] [ 2 6 ] tr an s lates  s ig n als b etwe en   d if f er en v o ltag d o m ai n s .     Gate   d r iv er   ( GD)   [ 2 7 ] d r iv es   p o wer   s witch es with   s u f f icien t c u r r en f o r   f ast tr an s itio n s .     Po wer   MO SF E T s   [ 2 8 ] :   ef f icie n tly   h an d le  h ig h - cu r r e n t switch in g .     W h ile  all  s u b s y s tem s   ar es s e n tial  f o r   ch ar g e r   o p e r atio n ,   th i s   wo r k   s p ec if ically   tar g ets  th co - d esig n   o f   th lev el  s h if ter g ate  d r iv er   (LS - GD)   p air   d u to   its   cr itical  in f lu en ce   o n   s y s tem   p er f o r m an ce .   T h L S - GD   in ter f ac g o v er n s   tim in g   p r ec is io n   th r o u g h   p r o p a g atio n   d e lay ,   p o wer   ef f icien cy   v ia  s witch in g   lo s s es,  an d   in teg r atio n   d e n s ity   th r o u g h   l ay o u ar ea   c o n s tr ain ts .   Po wer   m an ag em e n t,  co n tr o l,  a n d   s en s in g   s u b s y s tem s   em p lo y   c o n v e n tio n al  d esig n s .   T h ey   ar p r esen ted   h er to   p r o v id ar ch itectu r al  co n tex t.  S ec tio n   3   d etails  th p r o p o s ed   lev el  s h if ter   d esig n ,   wh ile  Sectio n   4   p r esen ts   th L S - GD  co - o p tim izatio n   m e th o d o lo g y   with   a n   em p h asis   o n   o p tim izin g   s p ee d ,   ar ea ,   an d   en er g y   p er f o r m an c e.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b e r   20 25 :   5 2 2 3 - 5 2 3 3   5226   3.   P RO P O SE DE SI G N   T h is   s ec tio n   d etails  th d esig n   m eth o d o lo g y   o f   t h p r o p o s ed   lev el  s h if ter ,   in clu d in g   its   f u n ctio n a l   ar ch itectu r e ,   tim in g   an aly s is ,   an d   tr an s is to r   s izin g   s tr ateg y   to   ac h ie v h ig h - s p ee d   a n d   e n er g y - ef f icien t   o p er atio n .     3 . 1 .     Circ uit  a rc hite ct ure   T h is   p ap er   p r esen ts   h ig h - s p ee d ,   en e r g y - e f f icien lev el  s h if ter   ar ch itectu r d ev elo p ed   f o r   r o b u s v o ltag d o m ain   in ter f ac in g .   As  illu s tr ated   in   Fig u r e   3 ,   th p r o p o s ed   d esig n   is   co m p o s ed   o f   th r ee   m ai n   f u n ctio n al  b lo ck s p r e - d r iv er   s tag e,   an   an ti - c r o s s   co n d u ctio n   lo g ic  cir c u it,  an d   p u s h - p u l o u tp u s tag e.   T h e   p r e - d r i v er   co n s is ts   o f   two   in v er ter   g ates  th at  s h ar p en   tr an s itio n s   an d   p r o v id e   p r o p er   s ig n a co n d itio n in g   f r o m   th lo w - v o ltag e   lo g ic   d o m ai n   ( 1 . 8 V) .   T h a n ti - cr o s s   co n d u ctio n   cir cu it,  b ased   o n   a n   AND  g ate  an d   co n tr o lled   tr an s is to r s ,   en s u r es  th at  th two   o u tp u tr an s is to r s   ar n ev er   ON  s im u ltan eo u s l y ,   th er eb y   av o id in g   s h o o t - th r o u g h   c u r r e n ts .   s m all  ca p ac ito r   C 1   is   co n n ec ted   to   th lo g ic  g ate  to   ass is in   th tim in g   an d   s tab ilizatio n   o f   th e   an ti - c r o s s   co n d u ctio n   b eh av io r .   T h o u t p u s tag is   f o r m e d   b y   tr a n s is to r s   M2   ( PMOS)   an d   M5   ( NM OS) ,   wh ich   o p e r ate  in   a   co m p lem e n tar y   p u s h - p u ll  c o n f ig u r atio n   to   d r iv th o u tp u t   n o d e   ( OUT _ VC C )   with   f u ll swin g   at  h ig h   v o ltag ( 5 V) .           Fig u r 3 .   T h cir cu it d ia g r am   o f   d ev el o p ed   le v el - s h if ter   u n d er   ca d en ce   to o l v er s io n       Mo r s p ec if ically ,   t h lev el   s h if tin g   f u n ctio n   is   ac h iev e d   th r o u g h   f o u r   k ey   tr an s is to r s   M4 ,   M7 ,   M 8 ,   an d   M1 1   alo n g   with   r esis to r   R 0   an d   ca p ac ito r   C 0 .   M4   an d   M7   ar NM OS  d ev ices  th at  c o n tr ib u te  to   p u llin g   d o wn   th in te r m ed iate  n o d es,  wh ile  M8   an d   M1 1   ar PMOS  d ev ices  r esp o n s ib le  f o r   p u llin g   th em   u p .   Du r in g   h ig h - to - lo in p u tr an s itio n ,   th s ig n al  is   co u p led   th r o u g h   C 0   to   d is ch ar g th Vg 1 1   n o d e,   wh ich   ac tiv ates  M8   an d   ca u s es  R 0   to   p u ll  th e   Vg 5   n o d e   u p .   C o n v er s ely ,   d u r in g   a   lo w - to - h ig h   tr an s itio n ,   M7   tu r n s   ON  an d   p u lls   th Vg 5   n o d d o wn ,   tu r n in g   M 8   OFF.  d io d D0   is   co n n ec te d   b etwe en   Vg 5   an d   DGND   to   p r o v id e   s im p le  p r o tectio n   ag ain s ex c ess iv n eg ativ g ate - to - s o u r c v o ltag o n   M5   d u r in g   s witch in g ,   p a r ticu lar ly   wh en   DGND   r is es f aster   th an   Vg 5 .   T h cir cu it  o p er ates  u n d er   d u a s u p p ly   v o ltag es:  V1 P8   ( 1 . 8 V)   f o r   th lo g ic  lev el  a n d   VC C   ( 5 V)   f o r   th o u tp u s tag e.   T h tr an s i s to r s   M2   an d   M5   m u s b e   d esig n ed   as  h ig h - v o ltag e   d ev ices  ca p ab le  o f   with s tan d in g   5 V   with o u p er f o r m an ce   d eg r a d atio n .   I f   lo w - v o ltag tr a n s is to r s   ar u s ed   in s tead ,   M7   m u s b e   u p s ca led   s ig n if ican tly   ( e. g . ,   ×2 0 )   to   en s u r r eliab le  s witch in g ,   wh ich   in cr ea s es c h ip   ar ea   an d   ad v er s ely   af f ec ts   d elay   a n d   p o wer   p er f o r m a n ce .   Hav in g   d escr ib e d   t h f u n cti o n al  s tr u ctu r a n d   s izin g   s tr at eg y   o f   th p r o p o s ed   lev el  s h if ter ,   th e   n ex t   s tep   is   to   ex am in e   its   d y n a m ic  b e h av i o r .   W f o c u s   o n   an aly zi n g   th e   p r o p ag atio n   d elay ,   wh ich   is   cr itical  p er f o r m an c m etr ic  in   v o lta g e - lev el  tr an s l atio n   cir cu its .     3 . 2 .     P r o pa g a t io dela y   a na l y s is   Pro p ag atio n   d elay   r ep r esen ts   th tim r eq u ir e d   f o r   s ig n al  to   tr av el  f r o m   th in p u o f   th cir cu it  to   th o u tp u n o d e.   I n   th c o n tex o f   lev el  s h if ter s   an d   g ate  d r i v er s ,   m in im izin g   th is   d elay   is   ess en tial  to   en s u r e   r ap id   an d   r eliab le  s witch in g ,   e s p ec ially   wh en   d r iv i n g   lar g e   g ate  ca p ac itan ce s   in   p o wer   t r an s is to r s .   T h p r o p ag atio n   d elay     is   in f lu en ce d   b y   s ev er al  f ac t o r s :   -   T h to tal  lo ad   ca p ac itan ce   s ee n   b y   th s witch in g   n o d e   -   T h d r iv e   cu r r e n t o f   t h tr an s i s to r s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz a tio n   o f a   leve l sh ifter   in teg r a ted   w ith   a   g a te  d r iver u s in g     ( Gu is s i H ich a m )   5227   -   T h o v e r d r iv v o ltag (  )   -   T h tech n o l o g y   p ar am eter s   ( ,  )   T h r elatio n s h ip   b etwe en   th es f ac to r s   ca n   b e   ex p r ess ed   as   ( 1 ) :     =                                                                                                  ( 1 )     wh er    in clu d es  th e   g ate  ca p a citan ce   o f   th d r iv en   tr an s is to r s   ( M2   a n d   M 5 ) ,   i n ter co n n ec p ar asit ic,   an d   in tr in s ic  ca p ac itan ce s   in   t h le v el  s h if ter   p ath .   T h c u r r e n I ,   f o r   tr a n s is to r   o p e r atin g   i n   s atu r atio n ,   is   g iv en   by   ( 2 ) :       = 1 2  (  ) 2                                                                                ( 2 )     wh er e :   -     is   th m o b ilit y   o f   th ch ar g c ar r ier s   -      is   th o x id ca p ac ita n ce   p er   u n it a r ea   -     an d     ar th wid th   a n d   len g th   o f   th tr a n s is to r   -      is   th g ate - s o u r ce   v o ltag e   -      is   th th r esh o ld   v o ltag e   Su b s titu tin g   ( 2 )   in t o   ( 1 )   lead s   to     = 1 2  (   ) 2                                                                                          ( 3 )     T h is   h ig h lig h ts   th at  p r o p ag ati o n   d elay   d ec r ea s es with   lar g er   tr an s is to r   wid th s   ( )   an d   s tr o n g er   g ate  o v er d r iv (   ) ,   b o th   o f   wh ich   ar p ar o f   tr an s is to r   s izin g .   On   th o th er   h an d ,   th d elay   in cr ea s es  with   lo n g er   ch an n el  len g t h s   ( )   an d   h ig h e r   ca p ac itiv lo ad s .   T h ese  d e p en d en cies  m u s b ca r ef u lly   b alan ce d   d u r in g   d esig n   to   o p tim ize  p er f o r m an c e.     3 . 3 .     T ra ns is t o s izing   a nd   o ptim iza t io n   T r an s is to r   s izin g   is   o n o f   t h m o s cr itical  asp ec ts   in   d esig n in g   h ig h - s p ee d ,   lo w - p o wer   lev el  s h if ter s .   T h e   d im en s io n s   o f   th tr an s is to r s   d ir ec tly   im p ac t   th ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   p a th s   o f   in ter m ed iate   n o d es,  th er eb y   in f lu e n cin g   t h o v er all  s p ee d ,   p o wer   co n s u m p tio n ,   an d   r eliab ilit y   o f   t h cir cu it.  T ab le  1   s u m m ar izes th tr an s is to r   d im en s io n s   s elec ted   f o r   th o p tim i ze d   lev el  s h if ter .       T ab le  1 .   T r a n s is to r s   s izes f o r   th o p tim ized   le v el  s h if ter   Tr a n s i st o r n a m e s   Le n g t h   W i d t h   P M O S   ( M 1 1 ,   M 8 )   1 3 0   n   2   u   P M O S   H V   M 2   5 0 0   n   1 . 9   u   N M O S   ( M 4 ,   M 7 )   1 3 0   n   2   u   N M O S   H V   M 5   7 4 0   n   6 0 0   n       T h lev el  s h if ter   tr an s is to r s   M4 ,   M7 ,   M8 ,   a n d   M1 1   a r e   s ized   with   m in im u m   ch a n n el  len g th s   ( 1 3 0 n m )   an d   m o d er ate   wid t h s   ( 2 µ m )   t o   en s u r lo w   d el ay   an d   b alan ce d   cu r r e n d r iv e.   T h e   h ig h - v o ltag tr an s is to r s   M2   an d   M5   ar s p ec ially   s ized   to   h an d le  5 o p er atio n M2   u s es  lo n g er   ch a n n el  f o r   r eliab ilit y ,   wh ile  M5   is   h ea v ily   u p s ca led   to   d r iv la r g ca p ac itiv l o ad s   with o u t tim in g   d e g r ad atio n .   I s h o u ld   b n o ted   th at  ag g r ess iv ely   m in im izin g   tr an s is to r   wid th s   ca n   r ed u ce   ar ea   b u m ay   in tr o d u ce   lay o u co n s tr ain ts .   Fo r   e x am p le,   ex ce s s iv ely   n ar r o tr an s is to r s   m ay   r esu lt  in   s in g le - co n tact  s o u r ce /d r ai n   r eg io n s ,   w h ich   a r g en er ally   a v o id ed   d u e   to   h ig h er   p ar asit ic  r esis tan ce   an d   lo wer   r eliab ilit y .   T h u s ,   tr a n s is to r   d im en s io n s   m u s t b ch o s en   ca r ef u lly   to   b alan ce   d ela y ,   ar ea ,   an d   m an u f ac tu r a b ilit y .       4.   SI M UL A T I O R E S UL T AND  DIS CUSS I O N   Fo llo win g   th ca r ef u s izin g   an d   o p tim izatio n   o f   tr an s is to r s   d escr ib ed   in   s ec tio n   3 ,   t h is   s ec tio n   p r esen ts   th s im u latio n   r esu lts ,   im p lem en tatio n   in s ig h ts ,   an d   p er f o r m an ce   c o m p ar is o n   o f   th p r o p o s ed   lev el  s h if ter   an d   in teg r ated   g ate  d r iv er .   All  s im u latio n s   wer co n d u cte d   u s in g   th C ad en ce   Vir tu o s o   to o an d   T SMC   1 3 0 n m   C MO S tec h n o l o g y .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b e r   20 25 :   5 2 2 3 - 5 2 3 3   5228   4 . 1 .     T ra ns ient   a na ly s is   o f   t he  pro po s ed  lev el  s hift er   F i g u r e   4   p r e s e n t s   t h e   t r a n s i e n s i m u l a t i o n   d e m o n s t r at e s   a   s u c c e s s f u l   l o g i c   l e v e l   s h i f t i n g   f r o m   1 . 8   t o   5 V .   T h e   m e a s u r e d   p r o p a g a t i o n   d e l a y s   a r e :   i )   t p 1 = 0. 0 8 8 9 7 n s   ( l o w - to - h i g h   t r a n s it i o n )   a n d   i i )   t p 2 = 0 . 0 9 0 6 2 n s   ( h i g h - to - l o w   t r a n s i t i o n ) .   T h es n e a r l y   i d e n t i ca l   v a l u es   c o n f i r m   t h a t   t h e   ci r c u i t   e x h i b i ts   s y m m e t r i c a l   s wi t c h i n g   b e h a v i o r   a n d   s t a b l e   p e r f o r m a n c e .   Hav in g   v alid ate d   th tim in g   p er f o r m a n ce   o f   th lev el   s h if ter   th r o u g h   tr an s ien s im u latio n ,   th n e x t   s tep   in v o lv es  th d esig n   o f   a n   ef f icien g ate  d r i v er .   T h is   co m p o n en is   cr itical  f o r   d eliv er in g   th e   n ec ess ar y   cu r r en t o   s witch   p o wer   MO SF E T s   r ap id ly   an d   r eliab l y ,   th u s   p lay in g   a   v ital  r o le  in   o v er al s y s tem   ef f icien cy   an d   s p ee d .           Fig u r 4 .   T r an s ien an aly s is   r e s u lt o f   th p r o p o s ed   le v el - s h if t er       4 . 2 .     G a t driv er   des ig n   T h g ate   d r iv e r   p la y s   p iv o ta r o le  in   co n tr o llin g   th s witch in g   b e h av io r   o f   th e   p o wer   M OSFET .   I ts   p r im ar y   f u n ctio n   is   to   q u ick ly   ch ar g an d   d is ch ar g th g ate  ca p ac itan ce   o f   th p o wer   tr an s is to r ,   en s u r in g   f ast  s witch in g   an d   m in im izin g   p o wer   lo s s es.   T h p r o p o s ed   g ate  d r iv er ,   s h o wn   in   Fig u r 5 ,   is   d esig n ed   to   ef f icien tly   d eliv e r   h ig h - s p ee d   o p er atio n .   T h e   d esig n   c o n s is ts   o f   1 8   tr an s is to r s   ( 9   PMOS  an d   9   NM OS) ,   with   th NM OS M 1 6 7   tr an s is to r   h a v in g   wid er   ch an n el  to   h a n d l lar g er   cu r r en ts   d u r in g   t h d is ch ar g p h ase.   T ab le  2   p r o v id es  th tr a n s is t o r   d im e n s io n s   s elec ted   f o r   th g ate  d r i v er   d esig n .   T h ese  s izes  wer ch o s en   to   p r o v id e   s tr o n g   d r iv e   s tr en g th ,   b alan ce d   s witch in g   ch ar ac ter is tics ,   an d   to   m in im i ze   g ate  d elay   wh ile   en s u r in g   th e   lay o u r em ain s   co m p ac t.           Fig u r 5 .   T h cir cu it d ia g r am   o f   d ev el o p ed   g ate  d r i v er   u n d er   ca d en ce   to o l v er s io n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz a tio n   o f a   leve l sh ifter   in teg r a ted   w ith   a   g a te  d r iver u s in g     ( Gu is s i H ich a m )   5229   T ab le  2 .   T r a n s is to r s   s izes o f   p r o p o s ed   g ate  d r iv e r   Tr a n s i st o r n a m e s   Le n g t h   W i d t h   P M O S   ( M 1 5 0 ,   M 1 5 2 ,   M 1 5 3 ,   M 1 5 4 ,   M 1 5 5 ,   M 1 5 6 ,   M 1 5 7 ,   M 1 5 8 ,   M 1 6 6 )   1 3 0   n   7 4 0   n   N M O S   ( M 1 5 1 ,   M 1 5 9 ,   M 1 6 0 ,   M 1 6 1 ,   M 1 6 2 ,   M 1 6 3 ,   M 1 6 4 ,   M 1 6 5 )   1 3 0   n   7 4 0   n   N M O S   M 1 6 7   1 3 0   n   1 . 7   u       On ce   th e   g ate  d r iv er   was  d es ig n ed   a n d   o p tim ized   f o r   h ig h - s p ee d   o p er atio n ,   it  was  i n teg r ated   with   th lev el  s h if ter   to   f o r m   co m p lete  v o ltag in ter f ac e.   T h is   co m b in ed   a r ch itectu r en a b les  b o th   ac cu r ate  lo g ic  lev el  tr an s latio n   a n d   s tr o n g   g ate - d r iv in g   ca p a b ilit y ,   wh ich   ar ess en tial  f o r   co n tr o llin g   p o wer   s witch es  in     Li - io n   b atter y   ch ar g in g   cir c u its .     4 . 3   L ev el  s hift er   wit h g a t e   driv er   T o   v alid ate  th e   f u n ctio n ality   o f   th e   co m p lete  in ter f ac e,   th lev el  s h if ter   was  in te g r ate d   with   th e   p r ev io u s ly   d ev elo p e d   g ate  d r i v er .   T h c o m b in e d   ar ch itectu r en s u r es b o th   v o ltag lev el  tr an s latio n   an d   s tr o n g   cu r r en d eliv er y   f o r   ef f icien g ate  co n tr o o f   th p o wer   MO SF E T .   Fig u r 6   p r esen ts   th f u ll  s ch em atic  o f   th e   in teg r ated   lev el  s h if ter   an d   g a te  d r iv er .   I n   th is   d esig n ,   th l ev el  s h if ter   co n v e r ts   1 . 8 c o n tr o s ig n al  in to   a   5 o u tp u t,  wh ich   is   th en   am p lifie d   b y   th g ate  d r iv er   t o   d eliv er   s u f f icien cu r r e n to   th e   g ate  o f   th p o we r   tr an s is to r .   T h ef f ec tiv en ess   o f   th is   d es ig n   is   co n f ir m ed   th r o u g h   tr a n s ien s im u latio n   r esu lts ,   p r e s en ted   in   Fig u r 7 .   T h cir c u it  s u cc ess f u lly   s h if ts   th 1 . 8 lo g ic   s ig n al  to   s tab le  5 o u tp u t.  T h m ea s u r e d   p r o p a g atio n   d elay   is   0 . 2 0 4 6 8 n s ,   in d icatin g   h ig h - s p ee d   o p er atio n   s u itab le  f o r   m o d er n   p o wer   m an ag e m en s y s tem s .   T o   f u r th er   e v alu ate  s witch in g   p er f o r m an ce ,   Fig u r 8   illu s tr ates th r is an d   f all  tim es o b s er v ed   at  th e   o u tp u n o d e.   T h r is tim is   ap p r o x im ately   0 . 0 1 4 5 n s ,   wh ile  th f all  tim is   ar o u n d   0 . 0 1 3 9 n s ,   co n f ir m in g   th at  th cir cu it o p er ates w ith   ex ce llen t tim in g   ch a r ac ter is tics   an d   f ast tr an s itio n s .           Fig u r 6 .   T h cir cu it d ia g r am   o f   th d e v elo p e d   lev el - s h if ter   with   d ate  d r iv er             Fig u r 7 .   T h tr an s ien t a n al y s is   r esu lt o f   th d e v elo p ed   lev el - s h if ter   with   d ate  d r i v er     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b e r   20 25 :   5 2 2 3 - 5 2 3 3   5230       Fig u r 8 .   T h s im u latio n   r esu l ts   o f   r is an d   f u ll tim e       T h ese  r esu lts   v alid ate  th ef f ec tiv en ess   o f   th p r o p o s ed   d e s ig n   in   p er f o r m in g   l o w - to - h i g h   v o ltag e   tr an s latio n   with   ex ce llen t   h ig h - s p ee d   c h ar ac ter is tics .   Ov er a ll,  th ar c h itectu r p r o v id es:   i)   th a cc u r ate  le v el   s h if tin g   f r o m   1 . 8   to   5 V ,   ii)   s u b - n an o s ec o n d   p r o p a g atio n   d elay ,   a n d   iii)  b alan ce d   r is an d   f all  tim es,  m in im izin g   s ig n al  d is to r tio n .   Su ch   p er f o r m a n ce   is   p ar ticu la r ly   v alu a b le  in   b atter y   ch a r g e r   s y s tem s   wh er s p ee d ,   ef f icien cy ,   a n d   r eliab ilit y   ar ess en tial.  Mo r eo v er ,   th s u cc ess f u in teg r atio n   o f   th g ate  d r iv er   d e m o n s tr ate s   th s ca lab ili ty   o f   th d esig n   f o r   f u ll  So C   in teg r atio n .   Fo llo win g   th s u cc ess f u s im u latio n   o f   th in te g r at ed   lev el  s h if ter   an d   g ate  d r i v er ,   t h cir c u it  was  tr a n s lated   in to   a   p h y s ical  lay o u t.   T h is   s tep   e n s u r es  m an u f ac tu r ab ilit y   an d   en a b les  f u r th er   e v alu atio n   o f   ar ea   u s ag an d   p a r asit ic  ef f ec ts .       4 . 4 .     L a y o ut   T h lay o u o f   th p r o p o s ed   lev el  s h if ter   with   in teg r ated   g ate  d r iv er   was  im p lem en ted   in   C ad en ce   Vir tu o s o .   T h d esig n   i n clu d es   f lo o r p la n in g ,   d ev ice  p lace m e n t,  an d   m etal  r o u tin g ,   w h ile  en s u r in g   co m p lian ce   with   d esig n   r u les an d   f o u n d r y   co n s tr ain ts   to   en s u r f u n ctio n a lity   an d   m an u f ac tu r a b ilit y .   Fig u r 9   p r esen ts   th f in al  la y o u o f   th p r o p o s ed   lev el  s h i f ter   in teg r ated   with   th g ate  d r iv er .   T h e   d esig n   p r io r itizes  co m p ac ar ea ,   s ig n al  in te g r ity ,   an d   m in im al  p ar asit ic  ef f ec ts .   T h la y o u u n d e r wen a   co m p lete  v e r if icatio n   f lo w,   i n clu d in g   d esig n   r u le   ch ec k   ( D R C ) ,   lay o u v e r s u s   s ch em atic  ( L VS) ,   an ten n r u le  ch ec k s ,   m etal  d en s ity ,   m an u f a ctu r in g   r u le   ch ec k   ( MRC ) ,   an d   d esig n   f o r   m a n u f ac t u r ab ilit y   ( DFM) .   All  c h ec k s   p ass ed   s u cc ess f u lly ,   co n f ir m in g   th c o r r ec tn ess   an d   r eliab ilit y   o f   th lay o u t.  T h to tal  s ilico n   ar ea   o cc u p ied   is   1 5 . 1 3 × 2 5 . 8 3 µm ,   wh ich   d em o n s tr ates  an   ef f icien u s o f   s p ac an d   m ak es  th d esig n   well  s u ited   f o r   in teg r atio n   in to   lar g er   s y s tem .           Fig u r 9 .   T h lay o u t o f   t h p r o p o s ed   lev el - s h if ter   with   g ate - d r iv er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz a tio n   o f a   leve l sh ifter   in teg r a ted   w ith   a   g a te  d r iver u s in g     ( Gu is s i H ich a m )   5231   4 . 5 .     Co m pa riso wit h lit er a t ure   Fo llo win g   th p h y s ical  lay o u an d   v alid atio n   o f   th in te g r ated   lev el   s h if ter   an d   g ate   d r iv er ,   a   co m p ar ativ an aly s is   was  co n d u cted   to   ev alu ate  th p e r f o r m an ce   o f   th p r o p o s ed   d e s ig n   ag ain s r ec en t   wo r k s .   T ab le  3   s u m m a r izes  th tech n o lo g y   n o d es,  v o ltag r an g es,  an d   d elay   tim es.   Ou r   d esig n ,   im p lem en ted   in   1 3 0 n m   C MO S,  ac h iev ed   p r o p ag atio n   d elay   o f   0 . 0 9 n s ,   estab lis h in g   n ew  p er f o r m a n ce   b en ch m a r k   an d   s ig n if ican tly   o u t p er f o r m in g   s ev er al  r ep o r ted   d esig n s   ac r o s s   v ar io u s   tech n o lo g y   n o d es.  Fo r   ex am p le,   Alao u i     et  a l.   [ 1 1 ]   ( 1 8 0 n m )   r ep o r ted   d elay   o f   0 . 1 5 n s ,   wh ile  Z h ao   et  a l.   [ 1 2 ] ,   u s in g   th s a m 1 3 0 n m   p r o ce s s ,   ac h iev ed   1 . 5 1 n s .   Desig n s   b a s ed   o n   m o r e   ad v a n ce d   tech n o lo g ies,  s u ch   as  Sh u k la   et  a l .   [ 1 3 ]   ( 6 5 n m )   an d   Sau r ab   an d   C h av an   [ 1 5 ]   ( 7 n m ) ,   r ep o r te d   d elay s   o f   0 . 6 3   an d   1 . 8 8 n s ,   r esp ec tiv ely .   T h s lo west  p er f o r m an ce   was  o b s er v ed   in   G o s atwa r   an d   Gh o d eswar   [ 1 4 ]   ( 9 0 n m )   with   1 0 . 9 9 n s ,   wh er ea s   C h atter jee   an d   R u ck er t   [ 1 6 ]   ( 2 8 n m )   r ep o r te d   d elay   o f   3 . 1 1 n s .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  p er f o r m an ce   is   n o t   s o lely   d eter m in e d     b y   tech n o lo g y   s ca lin g .   Op ti m izin g   tr a n s is to r   s izin g   an d   d esig n   m eth o d o l o g y   is   k e y   t o   ac h iev i n g   s u p er io r   p er f o r m an ce .       T ab le  3 .   C o m p a r ativ e   an aly s is   o f   th p r o p o s ed   lev el  s h if ter   v er s u s   ex is tin g   d esig n s   D e si g n   Te c h n o l o g y             Lo w   v o l t a g e   H i g h   v o l t a g e   D e l a y   t i m e   [ n s]   Th i s   p r o p o s e d   d e si g n   1 3 0   nm   1 . 8   V   5   V   0 . 0 9   A l a o u i   e t   a l .   [ 1 1 ]   1 8 0   nm   1 . 8   V   5   V   0 . 1 5   Zh a o   e t   a l .   [ 1 2 ]   1 3 0   nm   1 . 8   V   5   V   1 . 5 1   S h u k l a   e t   a l .   [ 1 3 ]   65   nm   1 . 2   V   6   V   0 . 6 3   G o sat w a r   a n d   G h o d e sw a r   [ 1 4 ]   90   nm   0 . 2   V   1   V   1 0 . 9 9   S a u r a b   a n d   C h a v a n   [ 1 5 ]   7   nm   0 . 1 9   V   1 . 5   V   1 . 8 8   C h a t t e r j e e   a n d   R u c k e r t   [ 1 6 ]   28   nm   0 . 2 5   V   1   V   3 . 1 1       5.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r esen ted   an   o p tim ized   v o ltag e   lev el  s h if ter   tailo r ed   f o r   L i - io n   b atter y   ch ar g i n g   ap p licatio n s .   T h e   d esig n   f o cu s ed   o n   th r ee   k e y   p e r f o r m an c m etr ics:   p r o p ag atio n   d elay ,   r is e/f all  tr an s itio n   tim e,   an d   cir cu it  ar ea ,   all  o f   wh ich   co n tr ib u te  to   im p r o v in g   o v er all  s y s tem   ef f icien cy   an d   r ed u cin g   co s t.  T h e   p r o p o s ed   ar ch itectu r ac h iev e s   s ig n if ican r ed u ctio n   in   p r o p ag atio n   d elay ,   f r o m   0 . 1 5 t o   0 . 0 9 0 6 2 n s ,   a n d   d eliv er s   n ea r l y   s y m m et r ical  r is an d   f all  tim es  o f   0 . 0 1 4 n s ,   co m p ar ed   to   0 . 0 3 6 n s   in   co n v en tio n al   d esig n s .   T h en tire   cir cu it  was  im p lem en ted   u s in g   T SMC   1 3 0 n m   C MO tech n o lo g y ,   an d   all  s im u latio n s   an d   lay o u t   wo r k   wer e   p er f o r m e d   u s in g   t h C ad en ce   Vir tu o s o   d esig n   e n v ir o n m en t.   T h ese  r esu lts   co n f ir m   th e   s u itab ilit y   o f   th e   d esig n   f o r   i n teg r atio n   in to   m o d er n ,   h ig h - ef f icien cy   b at ter y   ch a r g er   s y s tem s   an d   u n d e r s co r its   p o ten tial  f o r   f u ll  So C   in teg r atio n .   T h d esig n   ac h iev ed   im p r o v em en t s   o f   4 0 in   d ela y ,   6 1 in   tr a n s itio n   tim e,   an d   a   9 2 % r ed u ctio n   in   lay o u t a r ea ,   h ig h lig h tin g   th ef f ec tiv en ess   o f   th p r o p o s ed   o p tim izatio n   s tr ateg y .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       AUTHO CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al   u s es  th C o n t r ib u to r   R o les  T a x o n o m y   ( C R ed iT )   to   r ec o g n ize   in d iv i d u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Hich am   Gu is s i                               Kh a d ij a   S lao u i                                 C     C o n c e p t u a l i z a t i o n   M     M e t h o d o l o g y   So     So f t w a r e   Va     Va l i d a t i o n   Fo     Fo r mal   a n a l y s i s   I     I n v e s t i g a t i o n   R     R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi     Vi su a l i z a t i o n   Su     Su p e r v i s i o n   P     P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu     Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   Au th o r s   s tate  n o   co n f lict o f   in t er est.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 Decem b e r   20 25 :   5 2 2 3 - 5 2 3 3   5232   DATA AV AI L AB I L I T Y     Der iv ed   d ata  s u p p o r tin g   th f i n d in g s   o f   t h is   s tu d y   ar av aila b le  f r o m   t h co r r esp o n d i n g   au th o r ,   HG,   o n   r eq u est.         RE F E R E NC E S   [ 1 ]   M .   B a n e r j e e   a n d   H .   K a u r ,   A   c o m p a r i so n   a mo n g   l i t h i u m - i o n ,   n i c k e l - c a d mi u n i c k e l - met a l - h y d r i d e   b a t t e r i e f o r   c h a r g i n g   a n d   d i s c h a r g i n g   i n   e l e c t r i c   v e h i c l e   b y   b i d i r e c t i o n a l   D C - D C   c o n v e r t e r ,   i n   2 0 2 2   I EEE   I A S   G l o b a l   C o n f e re n c e   o n   Em e r g i n g   T e c h n o l o g i e s ,   G l o b C o n ET  2 0 2 2 ,   M a y   2 0 2 2 ,   p p .   3 6 1 3 6 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / G l o b C o n ET 5 3 7 4 9 . 2 0 2 2 . 9 8 7 2 3 3 5 .   [ 2 ]   T.   M e s b a h i ,   P .   B a r t h o l o m e u s ,   a n d   I .   J o r g e ,   H y b r i d   e m b e d d e d   p o w e r   s u p p l y   c o mb i n i n g   h i g h - e n e r g y   d e n s i t y   a n d   u l t r a - h i g h   p o w e r   l i t h i u m - i o n   b a t t e r i e s   f o r   e l e c t r i c   v e h i c l e   a p p l i c a t i o n s,   i n   I E EE   P o w e a n d   E n e r g y   S o c i e t y   G e n e ra l   Me e t i n g ,   2 0 2 0 ,   p p .   1 5 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 / P ESG M 4 1 9 5 4 . 2 0 2 0 . 9 2 8 2 0 4 7 .   [ 3 ]   A .   D j e r i o u i   e t   a l . ,   En e r g y   m a n a g e men t   s t r a t e g y   o f   s u p e r c a p a c i t o r / f u e l   c e l l   e n e r g y   s t o r a g e   d e v i c e f o r   v e h i c l e   a p p l i c a t i o n s ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   H y d r o g e n   E n e rg y ,   v o l .   4 4 ,   n o .   4 1 ,   p p .   2 3 4 1 6 2 3 4 2 8 ,   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . i j h y d e n e . 2 0 1 9 . 0 7 . 0 6 0 .   [ 4 ]   H .   S h i   e t   a l . ,   T h e r m a l   ma n a g e me n t   t e c h n i q u e s   f o r   l i t h i u m - i o n   b a t t e r i e s   b a se d   o n   p h a se   c h a n g e   ma t e r i a l s:   A   s y st e ma t i c   r e v i e w   a n d   p r o s p e c t i v e   r e c o mm e n d a t i o n s,   E n e r g i e s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   2 ,   p .   8 7 6 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 6 0 2 0 8 7 6 .   [ 5 ]   B .   Z h a i   e t   a l . ,   En e r g y - e f f i c i e n t   su b t h r e s h o l d   p r o c e ss o r   d e si g n ,   I E EE  T ra n s a c t i o n o n   Ve r y   L a r g e   S c a l e   I n t e g r a t i o n   ( VL S I )   S y s t e m s ,   v o l .   1 7 ,   n o .   8 ,   p p .   1 1 2 7 1 1 3 7 ,   2 0 0 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TV LSI . 2 0 0 8 . 2 0 0 7 5 6 4 .   [ 6 ]   S .   N .   W o o t e r s,  B .   H .   C a l h o u n ,   a n d   T.   N .   B l a l o c k ,   A n   e n e r g y - e f f i c i e n t   su b t h r e sh o l d   l e v e l   c o n v e r t e r   i n   1 3 0 - n C M O S ,   I EEE   T ra n s a c t i o n o n   C i rc u i t a n d   S y st e m s II :   Ex p r e ss  Bri e f s ,   v o l .   5 7 ,   n o .   4 ,   p p .   2 9 0 2 9 4 ,   2 0 1 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / T C S I I . 2 0 1 0 . 2 0 4 3 4 7 1 .   [ 7 ]   A .   H a s a n b e g o v i c   a n d   S .   A u n e t ,   L o w - p o w e r   su b t h r e sh o l d   t o   a b o v e   t h r e s h o l d   l e v e l   s h i f t e r   i n   9 0   n m   p r o c e ss,   i n   2 0 0 9   N o r c h i p 2 0 0 9 ,   p p .   1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / N O R C H P . 2 0 0 9 . 5 3 9 7 7 9 3 .   [ 8 ]   S .   Lu t k e me i e r   a n d   U .   R u c k e r t ,   A   su b t h r e sh o l d   t o   a b o v e - t h r e sh o l d   l e v e l   sh i f t e r   c o mp r i s i n g   a   W i l s o n   c u r r e n t   m i r r o r ,   I EEE   T ra n s a c t i o n o n   C i rc u i t a n d   S y st e m s II :   Ex p r e ss  Bri e f s ,   v o l .   5 7 ,   n o .   9 ,   p p .   7 2 1 7 2 4 ,   2 0 1 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / T C S I I . 2 0 1 0 . 2 0 5 6 1 1 0 .   [ 9 ]   S .   C .   Lu o ,   C .   J.  H u a n g ,   a n d   Y .   H .   C h u ,   A   w i d e - r a n g e   l e v e l   s h i f t e r   u si n g   a   mo d i f i e d   w i l s o n   c u r r e n t   m i r r o r   h y b r i d   b u f f e r ,   I EE E   T ra n s a c t i o n o n   C i rc u i t a n d   S y st e m s I:   Re g u l a r   P a p e rs ,   v o l .   6 1 ,   n o .   6 ,   p p .   1 6 5 6 1 6 6 5 ,   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TC S I . 2 0 1 3 . 2 2 9 5 0 1 5 .   [ 1 0 ]   N .   M a r o o f ,   M .   S o h a i l ,   a n d   H .   S h i n ,   A n   e n e r g y   e f f i c i e n t   su b - t h r e s h o l d   t o   a b o v e - t h r e s h o l d   l e v e l   s h i f t e r   u si n g   a   mo d i f i e d   W i l so n   c u r r e n t   mi r r o r ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   E l e c t r o n i c s ,   v o l .   1 0 3 ,   n o .   7 ,   p p .   1 2 1 6 1 2 2 7 ,   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 0 / 0 0 2 0 7 2 1 7 . 2 0 1 5 . 1 0 9 2 5 9 6 .   [ 1 1 ]   M .   El   A l a o u i   e t   a l . ,   D e si g n   a n d   a n a l y s i o f   n e w   l e v e l   s h i f t e r   w i t h   g a t e   d r i v e r   f o r   l i - i o n   b a t t e r y   c h a r g e r   i n   1 8 0 n m   C M O S   t e c h n o l o g y ,   I ra n i a n   J o u r n a l   o f   El e c t ri c a l   a n d   El e c t ro n i c   En g i n e e ri n g ,   v o l .   1 5 ,   n o .   4 ,   p p .   4 7 7 4 8 4 ,   2 0 1 9 .   [ 1 2 ]   D .   Zh a o   e t   a l . ,   A   v o l t a g e   l e v e l   s h i f t e r   w i t h   f a st   l e v e l   t r a n s l a t i o n   sp e e d ,   i n   Pro c e e d i n g o f   2 0 2 2   I EE 5 t h   I n t e r n a t i o n a l   El e c t r i c a l   a n d   En e rg y   C o n f e re n c e ,   C I EE C   2 0 2 2 ,   M a y   2 0 2 2 ,   p p .   1 3 3 3 1 3 3 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / C I EEC 5 4 7 3 5 . 2 0 2 2 . 9 8 4 6 2 8 9 .   [ 1 3 ]   P .   S h u k l a ,   P .   S i n g h ,   T.   M a h e s h w a r i ,   A .   G r o v e r ,   a n d   V .   R a n a ,   A   8 0 0 M H z ,   0 . 2 1 p J ,   1 . 2 V   t o   6 V   l e v e l   s h i f t e r   u si n g   t h i n   g a t e   o x i d e   d e v i c e i n   6 5 n m LS TP,”   i n   I C E C S   2 0 2 0   -   2 7 t h   I E EE  I n t e rn a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   El e c t r o n i c s,  C i r c u i t s   a n d   S y s t e m s,  Pro c e e d i n g s 2 0 2 0 ,   p p .   1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C E C S 4 9 2 6 6 . 2 0 2 0 . 9 2 9 4 9 8 4 .   [ 1 4 ]   P .   G o sat w a r   a n d   U .   G h o d e sw a r ,   D e s i g n   o f   v o l t a g e   l e v e l   s h i f t e r   f o r   mu l t i - s u p p l y   v o l t a g e   d e s i g n ,   i n   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   C o m m u n i c a t i o n   a n d   S i g n a l   Pr o c e ssi n g ,   I C C S 2 0 1 6 ,   2 0 1 6 ,   p p .   8 5 3 857 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C C S P . 2 0 1 6 . 7 7 5 4 2 6 7 .   [ 1 5 ]   B .   S a u r a b   a n d   A .   P .   C h a v a n ,   U l t r a - l o w   p o w e r ,   a r e a   e f f i c i e n t   a n d   h i g h - sp e e d   v o l t a g e   l e v e l   s h i f t e r   b a s e d   o n   W i l so n   c u r r e n t   mi r r o r ,   i n   2 0 2 1   I EE M y so r e   S u b   S e c t i o n   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e ,   M y su r u C o n   2 0 2 1 ,   2 0 2 1 ,   p p .   1 0 8 113 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 / M y s u r u C o n 5 2 6 3 9 . 2 0 2 1 . 9 6 4 1 6 5 7 .   [ 1 6 ]   S .   C h a t t e r j e e   a n d   U .   R u c k e r t ,   S c a l i n g   d o w n   a   l e v e l   sh i f t e r   c i r c u i t   i n   2 8   n m   F D S O I   t e c h n o l o g y ,   i n   2 0 1 8   J o i n t   I n t e rn a t i o n a l   EU RO S O I   W o r k sh o p   a n d   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   U l t i m a t e   I n t e g r a t i o n   o n   S i l i c o n ,   EU RO S O I - U L I S   2 0 1 8 ,   2 0 1 8 ,   v o l .   2 0 1 8 - Jan u a ,   p p .   1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / U LI S . 2 0 1 8 . 8 3 5 4 7 7 2 .   [ 1 7 ]   A .   S h a r m a ,   S .   S .   C h h a u k a r ,   K .   B .   R .   T e j a ,   a n d   K .   K a n d p a l ,   D e si g n   o f   l o w   d r o p o u t   v o l t a g e   r e g u l a t o r   f o r   b a t t e r y   o p e r a t e d   d e v i c e s,   i n   I N D I C O N   2 0 1 8   -   1 5 t h   I EEE   I n d i a   C o u n c i l   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e ,   2 0 1 8 ,   p p .   1 5 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 / I N D I C O N 4 5 5 9 4 . 2 0 1 8 . 8 9 8 6 9 9 9 .   [ 1 8 ]   N .   M i t r o v i c ,   R .   E n n e ,   a n d   H .   Z i mm e r man n ,   A   B o o t s t r a p   c i r c u i t   f o r   D C - D C   c o n v e r t e r w i t h   a   w i d e   i n p u t   v o l t a g e   r a n g e   i n   H V - C M O S ,   i n   2 0 1 6   3 9 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n v e n t i o n   o n   I n f o rm a t i o n   a n d   C o m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y ,   El e c t r o n i c s   a n d   Mi c r o e l e c t r o n i c s,  MIPRO   2 0 1 6   -   Pro c e e d i n g s ,   M a y   2 0 1 6 ,   p p .   6 2 65 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / M I P R O . 2 0 1 6 . 7 5 2 2 1 1 1 .   [ 1 9 ]   X .   M i n g   e t   a l . ,   A n   a d v a n c e d   b o o t s t r a p   c i r c u i t   f o r   h i g h   f r e q u e n c y ,   h i g h   a r e a - e f f i c i e n c y   a n d   l o w   E M I   b u c k   c o n v e r t e r ,   I EEE   T ra n s a c t i o n o n   C i r c u i t s   a n d   S y s t e m s   I I :   Ex p ress   Br i e f s ,   v o l .   6 6 ,   n o .   5 ,   p p .   8 5 8 8 6 2 ,   M a y   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / T C S I I . 2 0 1 9 . 2 9 0 9 0 4 5 .   [ 2 0 ]   S .   S e n ,   S .   P .   S i n g h ,   a n d   S .   G .   C h o u d h u r i ,   A   d i r e c t   i n p u t   c u r r e n t   c o n t r o l   t e c h n i q u e   f o r   s i n g l e - p h a s e   d i f f e r e n t i a l   mo d e   b o o s t   c o n v e r t e r   b a se d   EV   b a t t e r y   c h a r g e r ,   i n   2 0 2 2   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   f o r A d v a n c e m e n t   i n   T e c h n o l o g y ,   I C O N A T   2 0 2 2 ,   2 0 2 2 ,   p p .   1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C O N A T5 3 4 2 3 . 2 0 2 2 . 9 7 2 5 8 9 3 .   [ 2 1 ]   P .   G u o ,   Z .   J i a n g ,   a n d   S .   W a n g ,   S t u d y   o n   t h e   d i r e c t   v o l t a g e   c o n t r o l   s t r a t e g y   o f   B r u sh l e ss   D o u b l y - F e d   i n d e p e n d e n t   p o w e r   g e n e r a t i o n   s y st e m,   i n   Pr o c e e d i n g o f   6 t h   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   I n t e l l i g e n t   C o n t r o l   a n d   I n f o rm a t i o n   P ro c e ssi n g ,   I C I C I P   2 0 1 5 ,   2 0 1 6 ,   p p .   4 8 5 4 9 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C I C I P . 2 0 1 5 . 7 3 8 8 2 2 0 .   [ 2 2 ]   C .   Y a n g   e t   a l . ,   A n a l y si a n d   d e si g n   o f   a   l o w - c o s t   w e l l - p e r f o r ma n c e   a n d   e a s y - to - d e s i g n   c u r r e n t   se n si n g   c i r c u i t   su i t a b l e   f o r   S i C   M O S F ETs,   I EE T r a n s a c t i o n s   o n   P o w e E l e c t r o n i c s ,   v o l .   3 5 ,   n o .   1 2 ,   p p .   1 3 3 5 6 1 3 3 6 6 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TPE L. 2 0 2 0 . 2 9 9 3 0 3 3 .   [ 2 3 ]   G .   M a d e r b a c h e r ,   T.   Ja c k u m ,   W .   P r i b y l ,   S .   M i c h a e l i s ,   D .   M i c h a e l i s,   a n d   C .   S a n d n e r ,   F a st   a n d   r o b u st   l e v e l   sh i f t e r i n   6 5   n m   C M O S ,   i n   E u ro p e a n   S o l i d - S t a t e   C i r c u i t C o n f e r e n c e ,   2 0 1 1 ,   p p .   1 9 5 198 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / ESS C I R C . 2 0 1 1 . 6 0 4 4 8 9 8 .   [ 2 4 ]   N .   B .   R o m l i ,   M .   M a mu n ,   M .   A .   S .   B h u i y a n ,   a n d   H .   H u sa i n ,   D e si g n   o f   a   l o w   p o w e r   d i ss i p a t i o n   a n d   l o w   i n p u t   v o l t a g e   r a n g e   l e v e l   sh i f t e r   i n   C e d e c   0 . 1 8 - μm   C m o s   p r o c e ss,”   Wo r l d   A p p l i e d   S c i e n c e s   J o u rn a l ,   v o l .   1 9 ,   n o .   8 ,   p p .   1 1 4 0 1 1 4 8 ,   2 0 1 2 ,   d o i :   1 0 . 5 8 2 9 / i d o si . w a sj . 2 0 1 2 . 1 9 . 0 8 . 1 9 7 0 .   [ 2 5 ]   Y .   M o g h e ,   T .   Le h ma n n ,   a n d   T.   P i e sse n s,   N a n o se c o n d   d e l a y   f l o a t i n g   h i g h   v o l t a g e   l e v e l   sh i f t e r i n   a   0 . 3 5 μ  H V - C M O S   t e c h n o l o g y ,   I EEE   J o u rn a l   o f   S o l i d - S t a t e   C i r c u i t s ,   v o l .   4 6 ,   n o .   2 ,   p p .   4 8 5 4 9 7 ,   2 0 1 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / JS S C . 2 0 1 0 . 2 0 9 1 3 2 2 .   [ 2 6 ]   M .   V a i d y a ,   A .   N a u g a r h i y a ,   a n d   S .   V e r ma,   H i g h   s p e e d   b o o t s t r a p p i n g   g e n e r i c   v o l t a g e   l e v e l   s h i f t e r ,   i n   Pro c e e d i n g o f   2 0 1 8   2 n d   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   Ad v a n c e i n   El e c t r o n i c s,  C o m p u t e rs  a n d   C o m m u n i c a t i o n s,  I C AE C C   2 0 1 8 ,   2 0 1 8 ,   p p .   1 4 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 / I C A EC C . 2 0 1 8 . 8 4 7 9 4 6 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.