栅电容导通时间.ppt

1、2020/9/23,1,第七章 智能功率集成电路的设计,2020/9/23,2/84,主要内容,SPIC设计考虑 PWM开关电源SPIC设计实例 荧光灯驱动SPIC设计实例,2020/9/23,3/84,SPIC设计考虑,工艺流程选择 功率器件关键参数确定 关键工艺参数设计,2020/9/23,4/84,智能功率集成电路SPIC,一般包括： 功率控制 检测 / 保护 接口电路,目标 尽可能少的工艺步骤， 实现最佳功率器件性能,2020/9/23,5/84,工艺流程选择,SPIC一般实现方案： 在已有的CMOS或者BiCMOS工艺上进行改造，增加若干个 工艺步骤而实现。 工艺改造的好处： 一方面

2、可以减小工艺成本和实现难度，另一方面也提高工艺 的稳定性。,2020/9/23,6/84,SPIC基本工艺流程,SPIC工艺主要可分为外延层结构工艺和无外延层结构工艺。 这两种工艺技术各有特点，根据电路、器件、特性等方面不 同的要求，其最恰当的兼容工艺方式也大不相同。相比而言， 目前无外延层结构工艺较为普遍。,2020/9/23,7/84,功率器件关键参数确定,LDMOS、VDMOS和IGBT等功率器件是SPIC 的核心，一 般功率器件约占整个芯片面积的1/22/3。 设计性能良好的功率器件是整个智能功率集成电路设计的关键，其中耐压和导通电阻是SPIC的重要指标。,2020/9/23,8/84

3、,功率器件的主要技术参数,击穿电压：源漏击穿电压BVDS、栅源击穿电压BVGS； 静态特性参数：阈值电压、IV特性、栅特性和特征 导通电阻等； 动态特性参数：栅电容、导通时间、关断时间和开关 频率等； 器件安全工作区（SOA）。,2020/9/23,9/84,关键工艺参数的设计,在改造工艺上调整有限的工艺参数使得功率器件性能最 佳是SPIC工艺必须要考虑的问题。 要确定这些最佳工艺参数，可以采用理论推导和TCAD 仿真相结合的方式。,2020/9/23,10/84,PWM开关电源SPIC设计实例,开关电源原理及开关电源SPIC 开关电源SPIC模块电路 开关电源SPIC的BCD工艺流程 开关电

4、源SPIC的版图设计,2020/9/23,11/84,开关电源原理,TOP223,2020/9/23,12/84,开关电源TOP223,TOP223芯片是一个自我偏置、自我保护的用线性电流控制占空比转换的开关电源。主要包括： 主电路部分 偏置电路、分流调整器/误差放大器电路、锯齿波发生器电路、 PWM比较器电路、最小导通时间延迟、驱动电路、组合逻辑电路 辅助保护电路部分 温度保护电路、过流保护电路、欠压保护电路、8分频复位延时 电路、高压充电电路,2020/9/23,13/84,TOP223芯片管脚,DRAIN：输出管MOSFET的漏极。在启动时，通过一个内部 开关控制的高压电流源提供内部偏置

5、电流。 CONTROL：作为占空比控制时，是误差放大器和反馈电流的 输入端。也用做内部电路和自动重启动/补偿电容的连接点。 SOURCE：Y型封装时，是输出MOSFET的源极，作为高压电 源的回路。原边控制电流的公共参考点。,2020/9/23,14/84,TOP223封装,2020/9/23,15/84,TOP223性能参数,极限参数 漏极电压：-0.3V到700V； 漏极电流增加速度(ID/每100ns)： 0.1ILIMIT(MAX) 控制脚电压：-0.3V到9V 控制脚电流：100mA 储存温度：-65到125 工作结温度：-40到150,2020/9/23,16/84,TOP223性

6、能参数,电学参数 最大功率：50W（单一值电压输入） 30W（宽范围电压输入） *TO-220（Y）封装 导通电阻：7.8 (ID=100mA，Tj=25) 保护电流：1.00A(Tj=25) 最大占空比：67%,2020/9/23,17/84,开关电源SPICTOP223,2020/9/23,18/84,偏置电路,欠压保 护输入,1:8,IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5 ;,IE9= IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5 ;,VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5,当发生欠压时，偏置电压1调节锯齿波发生器输出频率 由之

7、前正常工作的100kHz减小为3kHz，减小功耗。,2020/9/23,19/84,误差放大器,PMOS宽长比很大， 实现旁路分流的作用,误差放大器输出,反馈电流输入,反馈电流小于2mA，电路以最大占空比67%工作；,反馈电流在26mA，电路工作占空比67%1%工作；,反馈电流大于6mA，电路以最小占空比1%工作；,2020/9/23,20/84,误差放大器仿真结果,2020/9/23,21/84,锯齿波发生器电路,锯齿波输出,偏置,偏置,Q6、Q7的栅电压互反，控制C1的充放电,2V,0.7V,方波脉冲,2020/9/23,22/84,锯齿波电路仿真图,频率为100KHz,2020/9/23

8、,23/84,PWM比较器,2020/9/23,24/84,PWM比较器仿真图,2020/9/23,25/84,驱动电路,2020/9/23,26/84,最小导通时间延迟模块,增加这个电路其实就是加了一个反馈，利用环路延迟，使得当误差信号逐步增大到大于锯齿波信号时，保持一个最小的占空比。,2020/9/23,27/84,组合逻辑电路,最大占空比不超过67% 最小导通时间（占空比 1%） 综合处理各种保护信号,2020/9/23,28/84,保护电路,在TOP223中，保护电路是非常完备的，它包括温度 保护电路、过流保护电路、欠压保护电路等。有关保 护电路可以参考第五章节。,2020/9/23,

9、29/84,软启动电路,当电路由于某种非正常原因引起保护电路动作，关断部分电路后，一般希望电路能在故障消除后重新恢复工作，所以需加软启动电路。,LDMOS,Vcontrol,内部电源VC,电路正常运作时，控制信号VC为低电平， C1依靠电路正常工作时的外部反馈电流 充电，维持内部电源的正常电压,2020/9/23,30/84,整体性能分析,输入,输出,输出随输入电压变化的影响,2020/9/23,31/84,电路中需要的器件,2020/9/23,32/84,开关电源SPIC的BCD工艺流程,双RESURF结构（N-漂移区内有P-注入）横向功率器 件在导通电阻、击穿电压和安全工作区等特性方面，

10、要比单RESURF结构器件更有优势。 在常规BiCMOS工艺基础上，充分考虑光刻板、工艺 步骤的兼容性，结合各种器件的特性，实现兼容700V 耐压LDMOS的BCD工艺。,2020/9/23,33/84,工艺流程,1、采用100晶向P型硅衬底(电阻率100.cm )，不做外延； 2、N阱光刻、注入、退火； 掩膜版1 磷注入, 2e12/cm2, E=80KeV, T=1200oC, t=550, N2、O2;,形成PMOS的N型衬底，功率MOSFET的漂移区，NPN管的集电区，还有N阱电阻，电容下极板。,2020/9/23,34/84,工艺流程,3、淡硼P-区光刻、注入、退火； 掩膜版2 硼注

11、入, 1.5e12/cm2, E=50KeV, T=1200oC, t=20, N2、O2;,形成LDMOS场区注入、LDMOS沟道注入、NMOS的P型衬底调整、离子注入电阻、双极晶体管淡基区。,2020/9/23,35/84,工艺流程,4、有源区光刻； 掩膜版3,2020/9/23,36/84,工艺流程,5、浓硼P区光刻、注入、退火； 掩膜版4 硼注入, 3e14/cm2, E=50KeV；,形成电容下极板周围的环、高 管浓基区。,2020/9/23,37/84,工艺流程,6、栅氧化。Dox=0.065uM。T=1160oC, t=10 , O2, HCl; 7、淀积多晶硅，多晶硅注入磷，多

12、晶硅Rs=15/。掩膜版5,2020/9/23,38/84,工艺流程,8、PMOS源、漏光刻， 6.5e15/cm2, E=80KeV； 掩膜版6,形成PMOS源、漏区，P型有源区接地，晶体管基区欧姆接触。,2020/9/23,39/84,工艺流程,9、NMOS源、漏光刻， 5e16/cm2, E=80KeV, T=850oC, t=10; 掩膜版7,形成PMOS源、漏区，P型有源区接地，晶体管基区欧姆接触。,2020/9/23,40/84,工艺流程,10、引线孔光刻; 掩膜版8,2020/9/23,41/84,工艺流程,11、铝淀积; 掩膜版9,12、PAD; 掩膜版10,2020/9/23

13、,42/84,开关电源SPIC的版图设计,芯片面积： 3mm2mm 最小线宽： 3m,2020/9/23,43/84,版图检查,2020/9/23,44/84,版图检查,工艺层次的定义：,2020/9/23,45/84,版图检查,2020/9/23,46/84,版图检查 DRC文件,2020/9/23,47/84,版图检查 Extract文件,2020/9/23,48/84,版图检查 LVS文件,2020/9/23,49/81,荧光灯驱动SPIC设计实例,高频照明原理及电子镇流器IC 荧光灯驱动SPIC模块电路 荧光灯驱动SPIC的BCD工艺流程 荧光灯驱动SPIC的版图设计,2020/9/2

14、3,50/81,高频照明原理,高频照明利用高频镇流器控制对荧光灯灯丝预热，当灯丝预热充 分后再利用谐振回路谐振产生的高压来启辉灯管，最后仍然通过 镇流器控制灯电路工作在高频下（一般是几十kHz）以保持灯管的正常工作。 高频镇流器IC中预热、启动时间都可以控制，而且一次性启辉， 高频运行时阴极的温度较低，阴极降落几乎为零，并且还可以通 过IC设计来处理灯的异常工作状态，这些特点都可以延长灯管的 寿命。,2020/9/23,51/81,电子镇流器ICUBA2014,半桥驱动,2020/9/23,52/81,UBA2014特点,预热时间可调 电流型控制工作 一次性启辉 自适应死区时间控制 集成电位上

15、浮功能 防灯失效及无灯管模式 可调光至10%等,2020/9/23,53/81,UBA2014管脚和封装,2020/9/23,54/81,UBA2014工作状态,芯片工作时可分为以下几个过程状态： 启动 预热 起辉 点亮 灯失效,2020/9/23,55/81,UBA2014工作状态启动,启动电阻,启动电容,当VDD的电压值到达启动门限（典型值: 13v）时，电路开始工作，内部振荡器在最高频率(100 kHz)开始起振；启动状态下，高端功率MOS管和低端功率MOS管都处于不导通的状态。,2020/9/23,56/84,UBA2014工作状态预热,在预热状态下，大电流通过灯丝预热，灯丝发射大量的

16、电子，允许在较低 的电压下，触发点亮灯丝，减少对灯丝的损伤，防止灯管发黑，有利于延长灯管寿命。,PCS电压上升,PCS电压超过0.6V时，预热电流感应器输出电流对CSW的电容充电，使电路频率基本稳定在55kHz左右。,2020/9/23,57/81,UBA2014工作状态起辉,预热过后，电路进入起辉状态，内部的固定电流会持续对CSW充电。电路频率以较低的速率下降。,与灯管并联的启动电容C22上的电压随频率的下降而上升，一旦频率下降到接近半桥负载的串联谐 振频率，在灯管上就会产生较大的电压（大于450V ）使灯管启跳点亮。,2020/9/23,58/81,UBA2014工作状态点亮,当频率到达最

17、小值后，电路进入点亮状态。灯一旦被点亮，LC串联电路则失谐，灯管两端电压为 100V左右。这时平均电流检测电路（ACS）开始工作。一旦电阻R14上的平均电压到达参考电平时， ACS电路将会通过对CSW上的电容充放电来反馈控制频率，进而控制灯电流和灯的亮度。,2020/9/23,59/81,0.81 V,1.49 V,正常启辉时的波形,2020/9/23,60/81,灯失效模,1、失效在启辉状态,灯并没有点亮，LVS 脚电压持续上升。 电路将停止振荡并强制进入低功耗模式。 只有当电源电压下降到一定值后电路才会被重置。,2020/9/23,61/81,灯失效模,2、失效在点亮状态,在正常工作时，灯

18、突然失效 ，使电路重新进入启辉状态并且试图重新启辉点灯。 如果再次启辉时间结束后，电平仍然被箝置在Vlamp（max），则表明启辉失败，电路将停止振荡并强制进入低功耗模式。,2020/9/23,62/81,可调死区时间,高压功率管,2020/9/23,63/81,可调死区时间,2020/9/23,64/81,荧光灯驱动SPIC模块电路,UBA2014芯片是一块耐高压的半桥荧光灯驱 动芯片，主要可分为偏置及基准电路、方波及锯 齿波发生器、迟滞比较器、 5V模拟（数字）电 源生成电路、压控信号产生及调光电路、自适应 死区时间电路、自举电路、电平移位及高端逻辑 电路等模块。,2020/9/23,65

19、/81,主偏置及基准电路,2020/9/23,66/81,2.5V缓冲基准源,2020/9/23,67/81,电流基准电路,这款电路全部采用的是电流模的方式来提供 偏置。这样做的好处是：电压值通过导线进 行远距离传输时，由于导线上存在的小电阻 会使电压值产生误差。,2020/9/23,68/81,方波形发生器,产生的方波周期为260ms。 该方波用作定时器脉冲， 以确定启辉时间（一个周期） 和预热时间（七个周期）。,宽长比很大，可以 以1mA的电流泄放 ，进而使定时器停 止振荡。,2020/9/23,69/81,频率可调锯齿波发生器,CF充电电流 控制信号,2.5V,1. 初始状态下，充电电流

20、由Q1决定。Q2基极电压 逐渐上升；,2. Q2基极电压达到2.5V之前，M40始终关闭，充 电状态保持不变；,3. Q2基极电压达到2.5V时，M40开启，泄放Cext 电流，完成一个锯齿波周期。,充电电流调节,2020/9/23,70/81,压控信号产生及调光电路,CSW 外接电容,CSW放电 控制,CSW充电 控制,CSW钳位输出信号,CSW钳位输入信号,跳频控制,调光使能端,2020/9/23,71/81,压控信号产生及调光电路,CSW钳位输出信号,CSW钳位输入信号,CF充电电流控制信号,控制M40的栅极 电压 调节CF,2020/9/23,72/81,自适应死区时间电路,确定预热时间,2020/9/23,70/81,自举电路,当电路开始起振时，下管首先开 启，而上管则处于关闭状态。Vs通 过二极管对自举电容Cboot充电到Vs VDboot。接下来，下管关闭，上 管开启，Vout端被拉至HV。由于自 举电容两端电压不能突变， Vboot=HV+VsVDboot。这样就得 到了为上管提供栅压驱动逻辑所需的 高端电压。,2020/9/23,71/81,自举电路,