基本功率集成電路模塊課件

2023/1/41第五章基本功率集成電路模塊2022/12/281第五章基本功率集成電路模塊2023/1/42/51主要內容功率集成電路組成電平位移模塊柵驅動模塊保護電路――過流、過熱和過欠壓2022/12/282/51主要內容功率集成電路組成2023/1/43/51功率集成電路分類20世紀80～90年代，功率集成電路根據(jù)集成功能、制造工藝及應用范圍的不同，自然而然形成了兩種不同類型的功率集成電路：一為高壓集成電路HV-IC二為智能功率集成電路SPIC。發(fā)展到21世紀，PIC技術更加先進，可集成功能和電路模塊越來越多，SPIC和HVIC的界限也變得越來越模糊，還出現(xiàn)了系統(tǒng)級功率集成電路，被稱為片上功率系統(tǒng)（PowerSystemonaChip，PSoC）。2022/12/283/51功率集成電路分類2023/1/44/51早期功率電子系統(tǒng)信號的采集/輸入和放大電路信號處理電路（產生功率處理所需的控制信號）功率處理電路（驅動負載工作）2022/12/284/51早期功率電子系統(tǒng)信號的采集/輸入2023/1/45/51PSoC組成信號采集數(shù)據(jù)處理控制電路驅動電路功率處理電路電源電路SoC模塊PIC模塊2022/12/285/51PSoC組成信號采集SoC模塊P2023/1/46/51PSoC典型電路結構框圖2022/12/286/51PSoC典型電路結構框圖2023/1/47/51模塊功能輸入接口電路它是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的橋梁，它將外界的信號以電信號方式傳送給PSoC系統(tǒng)內部的其他模塊，傳感器、按鍵開關、以及無線/有線通信接口都屬于這個模塊。2022/12/287/51模塊功能輸入接口電路2023/1/48/51模塊功能信號處理電路它是PSoC系統(tǒng)的核心控制部分，包括有微處理器、DSP和MCU等。它將輸入接口電路得到的各種信號（傳感信號、通信指令或圖像等）進行數(shù)據(jù)處理，并依據(jù)處理結果對功率電路進行合理控制；同時它還要對電源進行監(jiān)視、控制和管理。這部分電路通常采用標準CMOS電路實現(xiàn)，降低系統(tǒng)功耗和提高集成密度。2022/12/288/51模塊功能信號處理電路2023/1/49/51模塊功能電源模塊主要提供系統(tǒng)中其他模塊所需的電源形式，包括直流/交流、高壓/低壓等不同類型的電源電壓。電源模塊必須具有良好的抗電源干擾、浪涌和EMC等性能，以便保護其他模塊不會出現(xiàn)由于電源干擾而導致異常工作。2022/12/289/51模塊功能電源模塊2023/1/410/51模塊功能存儲器有ROM、RAM、EEPROM和FLASH等幾種類型，依據(jù)不同的應用和工藝兼容等條件采用合適的存儲器類型，對信號處理電路中的數(shù)據(jù)進行儲存。在許多運用場合，出于功率控制參數(shù)微調、非線性校正等就需要將相應的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入存儲器中。2022/12/2810/51模塊功能存儲器2023/1/411/51模塊功能功率處理電路主要為馬達、顯示器、照明燈等負載提供與之相匹配的電源能量。同樣要處理大電流和高電壓，功率處理電路要有良好的保護裝置，如過壓、過流和過溫等。為了配合功率處理電路的功率器件工作，需增加一些驅動放大或柵驅動電路。2022/12/2811/51模塊功能功率處理電路2023/1/412/51PSoC產品PSoC相關的產品還比較少，小功率PSoC雛形已有：ST工藝BCD6工藝的最新開關穩(wěn)壓器ST1S06NXP公司采用A-BCD工藝(0.13um)的CAN收發(fā)器系列ClassD音頻功放系列IC2022/12/2812/51PSoC產品2023/1/413/51L6924DL6924D是采用ST公司的BCD6工藝制造技術的單片充電器芯片，專門為單電池鋰和鋰聚合體電池組的充電設計。它集成了功率MOSFET、反向隔離二極管、敏感電阻和熱保護電路。該IC還兼容USB總線標準，可用于深受市場歡迎的USB供電的PC外設。它包括MOS驅動電路和功率MOSFET、振蕩器、熱保護、數(shù)字邏輯電路和模擬檢測等各種模塊。2022/12/2813/51L6924DL6924D是采用2023/1/414/51L6924D框圖功率MOSFET，最大充電電流1A輸入電壓范圍2.5V到12V輸出電壓為4.1V和4.2V兩種電壓（精度可達±1％）連接熱敏電阻，檢測電池溫度充電電流大小編程管腳充電速度編程管腳預充電電壓閾值設置2022/12/2814/51L6924D框圖功率MOSFE2023/1/415/51L6924D外圍電路2022/12/2815/51L6924D外圍電路2023/1/416/51L6924D線性充電模式

輸入電壓電池電壓電池充電電流芯片功耗預充電閾值電壓2022/12/2816/51L6924D線性充電模式輸入2023/1/417/51L6924D脈沖充電模式2022/12/2817/51L6924D脈沖充電模式2023/1/418/51L9805L9805是一款可軟件控制的用于驅動電阻和電感負載的單片系統(tǒng)智能功率集成電路。包含：一個ST7微處理器內核一個4AH橋電機驅動器高速CAN接口一個10位ADC穩(wěn)壓器16KBEPROM、256bitRAM、128bitEEPROM兩個定時器兩個脈沖寬度調制（PWM）單元2022/12/2818/51L98052023/1/419/51L9805框圖2022/12/2819/51L9805框圖2023/1/420/51L9805特點一個系統(tǒng)級的智能功率集成電路，集成微處理器、

CAN接口、存儲器和功率處理電路在一塊芯片上；集成8M內部Clock振蕩器；與USBbus兼容；70mΩ的DMOSH橋電機驅動器；可編程軟件控制；自啟動功能。2022/12/2820/51L9805特點一個系統(tǒng)級的智能2023/1/421/51SPIC電路SPIC將輸出功率器件與低壓控制的信號處理以及傳感、保護、檢測、診斷等功能電路集成到同一芯片。它一般包含功率控制、檢測/保護和接口電路三部分。2022/12/2821/51SPIC電路SPIC將輸出功率2023/1/422/51SPIC基本組成2022/12/2822/51SPIC基本組成2023/1/423/51TNY26X系列芯片TinySwitch-II在PI公司在TOPSwtch-II系列的基礎上，推出的小功率離線開關電源管理IC。該系列芯片由控制、保護電路和功率MOSFET三部分組成，其中功率MOSFET器件版圖占整個芯片的主要部分。2022/12/2823/51TNY26X系列芯片TinyS2023/1/424/51TNY26X系列芯片外圍2022/12/2824/51TNY26X系列芯片外圍2023/1/425/51TNY26X系列芯片框圖2022/12/2825/51TNY26X系列芯片框圖2023/1/426/51HV-IC電路高壓集成電路是將數(shù)個高壓功率器件與低壓數(shù)字/模擬電路集成在同一芯片上的單片IC，常用于各種顯示驅動、照明、電機驅動和中小功率電源等高壓電路當中。其中單個功率器件一般處理的電流較小。高壓集成電路一般由低壓數(shù)字/模擬電路、電平位移電路和高壓輸出級電路三部分組成。2022/12/2826/51HV-IC電路高壓集成電路是將2023/1/427/51IR2155

高頻電子鎮(zhèn)流器芯片IR2155是IR公司比較早推出的一款熒光燈照明驅動芯片。2022/12/2827/51IR2155高2023/1/428/51IR2155外圍2022/12/2828/51IR2155外圍2023/1/429/51IR2155框圖2022/12/2829/51IR2155框圖2023/1/430/51IR2155版圖2022/12/2830/51IR2155版圖2023/1/431/51STP24DP05STP24DP05芯片是一款驅動電流高達80mA的24路恒流輸出RGBLED驅動器，是目前比較新的一款LED驅動器。2022/12/2831/51STP24DP052023/1/432/51STP24DP05框圖2022/12/2832/51STP24DP05框圖2023/1/433/51

ATA6837ATA6837是愛特梅爾公司Atmel推出的高溫六路半橋驅動器芯片，可用于汽車的功率電子系統(tǒng)。采用0.8μmSOI-BCD工藝。傳統(tǒng)驅動器IC芯片工作溫度一般只能達到150°C，而SOI工藝的ATA6837工作溫度為200°C。ATA6837可被用于高溫的環(huán)境中，如汽車渦輪充電器、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和引擎上電子裝置。2022/12/2833/51

ATA6837ATA6832023/1/434/51ATA6837框圖2022/12/2834/51ATA6837框圖2023/1/435/51PIC電路與普通IC電路的區(qū)別PIC電路與普通IC電路相比增加的電路模塊：電平位移模塊柵驅動模塊各種檢測和保護模塊2022/12/2835/51PIC電路與普通IC電路的區(qū)別2023/1/436/51電平位移模塊

電平位移電路將低壓邏輯信號轉化為高壓驅動信號并提供一定驅動電流。2022/12/2836/51電平位移模塊2023/1/437/51典型電平位移電路典型的高低電平位移電路典型的高低電平位移電路的波形2022/12/2837/51典型電平位移電路典型的高低電2023/1/438/51薄柵氧電平位移電路2022/12/2838/51薄柵氧電平位移電路2023/1/439/51簡化的高低電平位移電路結構2022/12/2839/51簡化的高低電平位移電路結構2023/1/440/51柵驅動模塊柵驅動模塊給功率器件的柵結構提供充分的充電/放電電流，保證功率器件的快速開啟和關斷。由于功率器件面積很大，驅動柵極電壓相當于驅動一個很大的電容負載，因而需要很大的驅動電流。2022/12/2840/51柵驅動模塊柵驅動模塊給功率器件2023/1/441/51CMOS反相器級聯(lián)的柵驅動模塊M一般取4～10之間2022/12/2841/51CMOS反相器級聯(lián)的柵驅動模塊2023/1/442/51保護電路過流保護過熱保護過/欠壓保護2022/12/2842/51保護電路過流保護2023/1/443/51過流保護電路

目前功率器件電流檢測主要有以下幾種方法:在輸出回路中串接電阻導通電阻RDS檢測在輸出回路中加入互感線圈SenseFET的方法2022/12/2843/51過流保護電路目前功率器2023/1/444/51SenseFET的方法SenseFET感知電流方法來源于電流鏡。2022/12/2844/51SenseFET的方法Se2023/1/445/51SenseFET方法誤差分析

在實際過程中，由于SenseFET和主功率器件電流路徑不同，從而會對電流感知的準確度造成很大的影響。其中影響比較大的有：源極連線電阻的影響PAD連線的影響雖然R1電阻很小，但是R1檢測電阻存在會造成SenseFET源極電壓上升，特別是電流很大時，影響更大由于SenseFET的襯底實際上是接地的，因而增加R1會導致SenseFET存在襯偏效應2022/12/2845/51SenseFET方法誤差分析2023/1/446/51改進導通電阻RDS檢測高壓阻塞電路利用功率器件導通電阻作為感應電阻的方法2022/12/2846/51改進導通電阻RDS檢測高壓阻塞2023/1/447/51具體的過流保護電路2022/12/2847/51具體的過流保護電路2023/1/448/51過熱保護電路熱保護電路一般是利用晶體管BE（PN）結電壓的負溫度系數(shù)效應設計的，一般VBE的溫度系數(shù)約為-2mV/℃左右。2022/12/2848/51過熱保護電路熱保護電路一般是2023/1/449/51過熱保護電路熱遲滯回路曲線溫度保護電路原理2022/12/2849/51過熱保護電路熱遲滯回路曲線2023/1/450/51

過熱保護電路2022/12/2850/51過熱保護電路2023/1/451/51過/欠壓保護電路2022/12/2851/51過/欠壓保護電路2023/1/452第五章基本功率集成電路模塊2022/12/281第五章基本功率集成電路模塊2023/1/453/51主要內容功率集成電路組成電平位移模塊柵驅動模塊保護電路――過流、過熱和過欠壓2022/12/282/51主要內容功率集成電路組成2023/1/454/51功率集成電路分類20世紀80～90年代，功率集成電路根據(jù)集成功能、制造工藝及應用范圍的不同，自然而然形成了兩種不同類型的功率集成電路：一為高壓集成電路HV-IC二為智能功率集成電路SPIC。發(fā)展到21世紀，PIC技術更加先進，可集成功能和電路模塊越來越多，SPIC和HVIC的界限也變得越來越模糊，還出現(xiàn)了系統(tǒng)級功率集成電路，被稱為片上功率系統(tǒng)（PowerSystemonaChip，PSoC）。2022/12/283/51功率集成電路分類2023/1/455/51早期功率電子系統(tǒng)信號的采集/輸入和放大電路信號處理電路（產生功率處理所需的控制信號）功率處理電路（驅動負載工作）2022/12/284/51早期功率電子系統(tǒng)信號的采集/輸入2023/1/456/51PSoC組成信號采集數(shù)據(jù)處理控制電路驅動電路功率處理電路電源電路SoC模塊PIC模塊2022/12/285/51PSoC組成信號采集SoC模塊P2023/1/457/51PSoC典型電路結構框圖2022/12/286/51PSoC典型電路結構框圖2023/1/458/51模塊功能輸入接口電路它是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的橋梁，它將外界的信號以電信號方式傳送給PSoC系統(tǒng)內部的其他模塊，傳感器、按鍵開關、以及無線/有線通信接口都屬于這個模塊。2022/12/287/51模塊功能輸入接口電路2023/1/459/51模塊功能信號處理電路它是PSoC系統(tǒng)的核心控制部分，包括有微處理器、DSP和MCU等。它將輸入接口電路得到的各種信號（傳感信號、通信指令或圖像等）進行數(shù)據(jù)處理，并依據(jù)處理結果對功率電路進行合理控制；同時它還要對電源進行監(jiān)視、控制和管理。這部分電路通常采用標準CMOS電路實現(xiàn)，降低系統(tǒng)功耗和提高集成密度。2022/12/288/51模塊功能信號處理電路2023/1/460/51模塊功能電源模塊主要提供系統(tǒng)中其他模塊所需的電源形式，包括直流/交流、高壓/低壓等不同類型的電源電壓。電源模塊必須具有良好的抗電源干擾、浪涌和EMC等性能，以便保護其他模塊不會出現(xiàn)由于電源干擾而導致異常工作。2022/12/289/51模塊功能電源模塊2023/1/461/51模塊功能存儲器有ROM、RAM、EEPROM和FLASH等幾種類型，依據(jù)不同的應用和工藝兼容等條件采用合適的存儲器類型，對信號處理電路中的數(shù)據(jù)進行儲存。在許多運用場合，出于功率控制參數(shù)微調、非線性校正等就需要將相應的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入存儲器中。2022/12/2810/51模塊功能存儲器2023/1/462/51模塊功能功率處理電路主要為馬達、顯示器、照明燈等負載提供與之相匹配的電源能量。同樣要處理大電流和高電壓，功率處理電路要有良好的保護裝置，如過壓、過流和過溫等。為了配合功率處理電路的功率器件工作，需增加一些驅動放大或柵驅動電路。2022/12/2811/51模塊功能功率處理電路2023/1/463/51PSoC產品PSoC相關的產品還比較少，小功率PSoC雛形已有：ST工藝BCD6工藝的最新開關穩(wěn)壓器ST1S06NXP公司采用A-BCD工藝(0.13um)的CAN收發(fā)器系列ClassD音頻功放系列IC2022/12/2812/51PSoC產品2023/1/464/51L6924DL6924D是采用ST公司的BCD6工藝制造技術的單片充電器芯片，專門為單電池鋰和鋰聚合體電池組的充電設計。它集成了功率MOSFET、反向隔離二極管、敏感電阻和熱保護電路。該IC還兼容USB總線標準，可用于深受市場歡迎的USB供電的PC外設。它包括MOS驅動電路和功率MOSFET、振蕩器、熱保護、數(shù)字邏輯電路和模擬檢測等各種模塊。2022/12/2813/51L6924DL6924D是采用2023/1/465/51L6924D框圖功率MOSFET，最大充電電流1A輸入電壓范圍2.5V到12V輸出電壓為4.1V和4.2V兩種電壓（精度可達±1％）連接熱敏電阻，檢測電池溫度充電電流大小編程管腳充電速度編程管腳預充電電壓閾值設置2022/12/2814/51L6924D框圖功率MOSFE2023/1/466/51L6924D外圍電路2022/12/2815/51L6924D外圍電路2023/1/467/51L6924D線性充電模式

輸入電壓電池電壓電池充電電流芯片功耗預充電閾值電壓2022/12/2816/51L6924D線性充電模式輸入2023/1/468/51L6924D脈沖充電模式2022/12/2817/51L6924D脈沖充電模式2023/1/469/51L9805L9805是一款可軟件控制的用于驅動電阻和電感負載的單片系統(tǒng)智能功率集成電路。包含：一個ST7微處理器內核一個4AH橋電機驅動器高速CAN接口一個10位ADC穩(wěn)壓器16KBEPROM、256bitRAM、128bitEEPROM兩個定時器兩個脈沖寬度調制（PWM）單元2022/12/2818/51L98052023/1/470/51L9805框圖2022/12/2819/51L9805框圖2023/1/471/51L9805特點一個系統(tǒng)級的智能功率集成電路，集成微處理器、

CAN接口、存儲器和功率處理電路在一塊芯片上；集成8M內部Clock振蕩器；與USBbus兼容；70mΩ的DMOSH橋電機驅動器；可編程軟件控制；自啟動功能。2022/12/2820/51L9805特點一個系統(tǒng)級的智能2023/1/472/51SPIC電路SPIC將輸出功率器件與低壓控制的信號處理以及傳感、保護、檢測、診斷等功能電路集成到同一芯片。它一般包含功率控制、檢測/保護和接口電路三部分。2022/12/2821/51SPIC電路SPIC將輸出功率2023/1/473/51SPIC基本組成2022/12/2822/51SPIC基本組成2023/1/474/51TNY26X系列芯片TinySwitch-II在PI公司在TOPSwtch-II系列的基礎上，推出的小功率離線開關電源管理IC。該系列芯片由控制、保護電路和功率MOSFET三部分組成，其中功率MOSFET器件版圖占整個芯片的主要部分。2022/12/2823/51TNY26X系列芯片TinyS2023/1/475/51TNY26X系列芯片外圍2022/12/2824/51TNY26X系列芯片外圍2023/1/476/51TNY26X系列芯片框圖2022/12/2825/51TNY26X系列芯片框圖2023/1/477/51HV-IC電路高壓集成電路是將數(shù)個高壓功率器件與低壓數(shù)字/模擬電路集成在同一芯片上的單片IC，常用于各種顯示驅動、照明、電機驅動和中小功率電源等高壓電路當中。其中單個功率器件一般處理的電流較小。高壓集成電路一般由低壓數(shù)字/模擬電路、電平位移電路和高壓輸出級電路三部分組成。2022/12/2826/51HV-IC電路高壓集成電路是將2023/1/478/51IR2155

高頻電子鎮(zhèn)流器芯片IR2155是IR公司比較早推出的一款熒光燈照明驅動芯片。2022/12/2827/51IR2155高2023/1/479/51IR2155外圍2022/12/2828/51IR2155外圍2023/1/480/51IR2155框圖2022/12/2829/51IR2155框圖2023/1/481/51IR2155版圖2022/12/2830/51IR2155版圖2023/1/482/51STP24DP05STP24DP05芯片是一款驅動電流高達80mA的24路恒流輸出RGBLED驅動器，是目前比較新的一款LED驅動器。2022/12/2831/51STP24DP052023/1/483/51STP24DP05框圖2022/12/2832/51STP24DP05框圖2023/1/484/51

ATA6837ATA6837是愛特梅爾公司Atmel推出的高溫六路半橋驅動器芯片，可用于汽車的功率電子系統(tǒng)。采用0.8μmSOI-BCD工藝。傳統(tǒng)驅動器IC芯片工作溫度一般只能達到150°C，而SOI工藝的ATA6837工作溫度為200°C。ATA6837可被用于高溫的環(huán)境中，如汽車渦輪充電器、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和引擎上電子裝置。2022/12/2833/51

ATA6837ATA6832023/1/485/51ATA6837框圖2022/12/2834/51ATA6837框圖2023/1/486/51PIC電路與普通IC電路的區(qū)別PIC電路與普通IC電路相比增加的電路模塊：電平位移模塊柵驅動模塊各種檢測和保護模塊2022/12/2835/51PIC電路與普通IC電路的區(qū)別2023/1/487/51電平位移模塊

電平位移電路將低壓邏輯信號轉化為高壓驅動信號并提供一定驅動電流。2022/12/2836/51電平位移模塊2023/1/488/51典型電平位移電路典型的高低電平位移電路典型的高低電平位移電路的波形2022/12/2837/51典型電平位移電路典型的高低電2023/1/489/51薄柵氧電平位移電路2022/12/2838/51薄柵氧電平位移電路2023/1/490/51簡化的高低電平位移電路結構2022/12/2839/51簡化的高低電平位移電路結構2023/1/491/51柵驅動模塊柵驅動模塊給功率器件的柵結構提供充分的充