柵電容導通時間

2023/3/21第七章智能功率集成電路的設計2023/3/22/84主要內容SPIC設計考慮PWM開關電源SPIC設計實例熒光燈驅動SPIC設計實例2023/3/23/84SPIC設計考慮工藝流程選擇功率器件關鍵參數確定關鍵工藝參數設計2023/3/24/84智能功率集成電路SPIC一般包括：功率限制檢測/疼惜接口電路目標

盡可能少的工藝步驟，

實現最佳功率器件性能2023/3/25/84工藝流程選擇SPIC一般實現方案：

在已有的CMOS或者BiCMOS工藝上進行改造，增加若干個工藝步驟而實現。工藝改造的好處：

一方面可以減小工藝成本和實現難度，另一方面也提高工藝的穩(wěn)定性。2023/3/26/84SPIC基本工藝流程SPIC工藝主要可分為外延層結構工藝和無外延層結構工藝。這兩種工藝技術各有特點，依據電路、器件、特性等方面不同的要求，其最恰當的兼容工藝方式也大不相同。相比而言，目前無外延層結構工藝較為普遍。2023/3/27/84功率器件關鍵參數確定LDMOS、VDMOS和IGBT等功率器件是SPIC的核心，一

般功率器件約占整個芯片面積的1/2~2/3。設計性能良好的功率器件是整個智能功率集成電路設計的關鍵，其中耐壓和導通電阻是SPIC的重要指標。2023/3/28/84功率器件的主要技術參數擊穿電壓：源漏擊穿電壓BVDS、柵源擊穿電壓BVGS；靜態(tài)特性參數：閾值電壓、IV特性、柵特性和特征導通電阻等；動態(tài)特性參數：柵電容、導通時間、關斷時間和開關頻率等；器件平安工作區(qū)（SOA）。2023/3/29/84關鍵工藝參數的設計在改造工藝上調整有限的工藝參數使得功率器件性能最佳是SPIC工藝必須要考慮的問題。要確定這些最佳工藝參數，可以接受理論推導和TCAD仿真相結合的方式。2023/3/210/84PWM開關電源SPIC設計實例開關電源原理及開關電源SPIC開關電源SPIC模塊電路開關電源SPIC的BCD工藝流程開關電源SPIC的版圖設計2023/3/211/84

開關電源原理TOP2232023/3/212/84開關電源TOP223TOP223芯片是一個自我偏置、自我疼惜的用線性電流限制占空比轉換的開關電源。主要包括：主電路部分偏置電路、分流調整器/誤差放大器電路、鋸齒波發(fā)生器電路、PWM比較器電路、最小導通時間延遲、驅動電路、組合邏輯電路幫助疼惜電路部分溫度疼惜電路、過流疼惜電路、欠壓疼惜電路、8分頻復位延時電路、高壓充電電路2023/3/213/84TOP223芯片管腳

DRAIN：輸出管MOSFET的漏極。在啟動時，通過一個內部開關限制的高壓電流源供應內部偏置電流。CONTROL：作為占空比限制時，是誤差放大器和反饋電流的輸入端。也用做內部電路和自動重啟動/補償電容的連接點。SOURCE：Y型封裝時，是輸出MOSFET的源極，作為高壓電源的回路。原邊限制電流的公共參考點。2023/3/214/84TOP223封裝2023/3/215/84TOP223性能參數極限參數漏極電壓：-0.3V到700V；漏極電流增加速度(ΔID/每100ns)：0.1×ILIMIT(MAX)限制腳電壓：-0.3V到9V限制腳電流：100mA儲存溫度：-65到125℃工作結溫度：-40到150℃2023/3/216/84TOP223性能參數電學參數最大功率：50W（單一值電壓輸入）30W（寬范圍電壓輸入）*TO-220（Y）封裝導通電阻：7.8Ω(ID=100mA，Tj=25℃)疼惜電流：1.00A(Tj=25℃)最大占空比：67%2023/3/217/84開關電源SPIC—TOP2232023/3/218/84

偏置電路欠壓保護輸入1:8IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5;IE9=IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5;VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5

當發(fā)生欠壓時，偏置電壓1調整鋸齒波發(fā)生器輸出頻率由之前正常工作的100kHz減小為3kHz，減小功耗。2023/3/219/84誤差放大器PMOS寬長比很大，實現旁路分流的作用誤差放大器輸出反饋電流輸入反饋電流小于2mA，電路以最大占空比67%工作；反饋電流在2~6mA，電路工作占空比67%~1%工作；反饋電流大于6mA，電路以最小占空比1%工作；2023/3/220/84誤差放大器仿真結果2023/3/221/84鋸齒波發(fā)生器電路

鋸齒波輸出偏置偏置Q6、Q7的柵電壓互反，限制C1的充放電2V0.7V方波脈沖2023/3/222/84鋸齒波電路仿真圖頻率為100KHz2023/3/223/84PWM比較器2023/3/224/84PWM比較器仿真圖2023/3/225/84驅動電路2023/3/226/84最小導通時間延遲模塊

增加這個電路其實就是加了一個反饋，利用環(huán)路延遲，使得當誤差信號逐步增大到大于鋸齒波信號時，保持一個最小的占空比。2023/3/227/84組合邏輯電路最大占空比不超過67%最小導通時間（占空比1%）綜合處理各種疼惜信號2023/3/228/84疼惜電路在TOP223中，疼惜電路是特殊完備的，它包括溫度疼惜電路、過流疼惜電路、欠壓疼惜電路等。有關保護電路可以參考第五章節(jié)。2023/3/229/84軟啟動電路當電路由于某種非正常緣由引起疼惜電路動作，關斷部分電路后，一般希望電路能在故障消退后重新復原工作，所以需加軟啟動電路。LDMOSVcontrol內部電源VC電路正常運作時，限制信號VC為低電平，C1依靠電路正常工作時的外部反饋電流充電，維持內部電源的正常電壓2023/3/230/84整體性能分析輸入輸出輸出隨輸入電壓變更的影響2023/3/231/84電路中須要的器件元器件類別具體元器件高壓器件HV-LDMOS低壓器件CMOS、Diode、NPN、PNP無源元件電阻、電容2023/3/232/84開關電源SPIC的BCD工藝流程雙RESURF結構（N-漂移區(qū)內有P-注入）橫向功率器件在導通電阻、擊穿電壓和平安工作區(qū)等特性方面，要比單RESURF結構器件更有優(yōu)勢。在常規(guī)BiCMOS工藝基礎上，充分考慮光刻板、工藝步驟的兼容性，結合各種器件的特性，實現兼容700V耐壓LDMOS的BCD工藝。2023/3/233/84工藝流程1、接受[100]晶向P型硅襯底(電阻率100Ω)，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型襯底，功率MOSFET的漂移區(qū)，NPN管的集電區(qū)，還有N阱電阻，電容下極板。2023/3/234/84工藝流程3、淡硼P-區(qū)光刻、注入、退火；掩膜版2

硼注入,1.5e12/cm2,E=50KeV,T=1200oC,t=20’,N2、O2;

形成LDMOS場區(qū)注入、LDMOS溝道注入、NMOS的P型襯底調整、離子注入電阻、雙極晶體管淡基區(qū)。2023/3/235/84工藝流程4、有源區(qū)光刻；掩膜版32023/3/236/84工藝流程5、濃硼P區(qū)光刻、注入、退火；掩膜版4

硼注入,3e14/cm2,E=50KeV；形成電容下極板四周的環(huán)、高管濃基區(qū)。2023/3/237/84工藝流程6、柵氧化。Dox=0.065uM。T=1160oC,t=10’,O2,HCl;7、淀積多晶硅，多晶硅注入磷，多晶硅Rs=15/。掩膜版5

2023/3/238/84工藝流程8、PMOS源、漏光刻，6.5e15/cm2,E=80KeV；掩膜版6

形成PMOS源、漏區(qū)，P型有源區(qū)接地，晶體管基區(qū)歐姆接觸。2023/3/239/84工藝流程9、NMOS源、漏光刻，5e16/cm2,E=80KeV,T=850oC,t=10’;

掩膜版7

形成PMOS源、漏區(qū)，P型有源區(qū)接地，晶體管基區(qū)歐姆接觸。2023/3/240/84工藝流程10、引線孔光刻;掩膜版8

2023/3/241/84工藝流程11、鋁淀積;掩膜版9

12、PAD;掩膜版10

2023/3/242/84開關電源SPIC的版圖設計

芯片面積：3mm×2mm最小線寬：3μm2023/3/243/84版圖檢查2023/3/244/84版圖檢查工藝層次的定義：2023/3/245/84

版圖檢查2023/3/246/84版圖檢查——DRC文件2023/3/247/84版圖檢查——Extract文件2023/3/248/84版圖檢查——LVS文件2023/3/249/81熒光燈驅動SPIC設計實例高頻照明原理及電子鎮(zhèn)流器IC熒光燈驅動SPIC模塊電路熒光燈驅動SPIC的BCD工藝流程熒光燈驅動SPIC的版圖設計2023/3/250/81高頻照明原理高頻照明利用高頻鎮(zhèn)流器限制對熒光燈燈絲預熱，當燈絲預熱充分后再利用諧振回路諧振產生的高壓來啟輝燈管，最終照舊通過鎮(zhèn)流器限制燈電路工作在高頻下（一般是幾十kHz）以保持燈管的正常工作。高頻鎮(zhèn)流器IC中預熱、啟動時間都可以限制，而且一次性啟輝，高頻運行時陰極的溫度較低，陰極著陸幾乎為零，并且還可以通過IC設計來處理燈的異樣工作狀態(tài)，這些特點都可以延長燈管的壽命。2023/3/251/81電子鎮(zhèn)流器IC—UBA2014半橋驅動2023/3/252/81UBA2014特點預熱時間可調電流型限制工作一次性啟輝自適應死區(qū)時間限制集成電位上浮功能防燈失效及無燈管模式可調光至10%等2023/3/253/81UBA2014管腳和封裝2023/3/254/81UBA2014工作狀態(tài)

芯片工作時可分為以下幾個過程狀態(tài)：啟動預熱起輝點亮燈失效2023/3/255/81UBA2014工作狀態(tài)——啟動啟動電阻啟動電容當VDD的電壓值到達啟動門限（典型值:13v）時，電路起先工作，內部振蕩器在最高頻率(100kHz)起先起振；啟動狀態(tài)下，高端功率MOS管和低端功率MOS管都處于不導通的狀態(tài)。2023/3/256/84UBA2014工作狀態(tài)——預熱在預熱狀態(tài)下，大電流通過燈絲預熱，燈絲放射大量的電子，允許在較低的電壓下，觸發(fā)點亮燈絲，削減對燈絲的損傷，防止燈管發(fā)黑，有利于延長燈管壽命。PCS電壓上升PCS電壓超過0.6V時，預熱電流感應器輸出電流對CSW的電容充電，使電路頻率基本穩(wěn)定在55kHz左右。2023/3/257/81UBA2014工作狀態(tài)——起輝

預熱過后，電路進入起輝狀態(tài)，內部的固定電流會持續(xù)對CSW充電。電路頻率以較低的速率下降。

與燈管并聯的啟動電容C22上的電壓隨頻率的下降而上升，一旦頻率下降到接近半橋負載的串聯諧振頻率，在燈管上就會產生較大的電壓（大于450V

）使燈管啟跳點亮。2023/3/258/81UBA2014工作狀態(tài)——點亮當頻率到達最小值后，電路進入點亮狀態(tài)。燈一旦被點亮，LC串聯電路則失諧，燈管兩端電壓為100V左右。這時平均電流檢測電路（ACS）起先工作。一旦電阻R14上的平均電壓到達參考電平常，ACS電路將會通過對CSW上的電容充放電來反饋限制頻率，進而限制燈電流和燈的亮度。2023/3/259/810.81V1.49V正常啟輝時的波形2023/3/260/81燈失效模1、失效在啟輝狀態(tài)燈并沒有點亮，LVS腳電壓持續(xù)上升。電路將停止振蕩并強制進入低功耗模式。只有當電源電壓下降到確定值后電路才會被重置。2023/3/261/81燈失效模2、失效在點亮狀態(tài)在正常工作時，燈突然失效，使電路重新進入啟輝狀態(tài)并且試圖重新啟輝點燈。假如再次啟輝時間結束后，電平照舊被箝置在Vlamp（max），則表明啟輝失敗，電路將停止振蕩并強制進入低功耗模式。2023/3/262/81可調死區(qū)時間高壓功率管2023/3/263/81

可調死區(qū)時間2023/3/264/81熒光燈驅動SPIC模塊電路UBA2014芯片是一塊耐高壓的半橋熒光燈驅動芯片，主要可分為偏置及基準電路、方波及鋸齒波發(fā)生器、遲滯比較器、5V模擬（數字）電源生成電路、壓控信號產生及調光電路、自適應死區(qū)時間電路、自舉電路、電平移位及高端邏輯電路等模塊。2023/3/265/81主偏置及基準電路2023/3/266/812.5V緩沖基準源2023/3/267/81電流基準電路這款電路全部接受的是電流模的方式來供應偏置。這樣做的好處是：電壓值通過導線進行遠距離傳輸時，由于導線上存在的小電阻會使電壓值產生誤差。2023/3/268/81方波形發(fā)生器

產生的方波周期為260ms。該方波用作定時器脈沖，以確定啟輝時間（一個周期）和預熱時間（七個周期）。寬長比很大，可以以1mA的電流泄放，進而使定時器停止振蕩。2023/3/269/81頻率可調鋸齒波發(fā)生器CF充電電流限制信號2.5V1.初始狀態(tài)下，充電電流由Q1確定。Q2基極電壓漸漸上升；2.Q2基極電壓達到2.5V之前，M40始終關閉，充電狀態(tài)保持不變；3.Q2基極電壓達到2.5V時，M40開啟，泄放Cext

電流，完成一個鋸齒波周期。充電電流調整2023/3/270/81壓控信號產生及調光電路CSW外接電容CSW放電限制CSW充電限制CSW鉗位輸出信號CSW鉗位輸入信號跳頻限制調光使能端2023/3/271/81壓控信號產生及調光電路CSW鉗位輸出信號CSW鉗位輸入信號CF充電電流限制信號限制M40的柵極電壓調整CF2023/3/272/81自適應死區(qū)時間電路確定預熱時間2023/3/270/81自舉電路當電路起先起振時，下管首先開啟，而上管則處于關閉狀態(tài)。Vs通過二極管對自舉電容Cboot充電到Vs－VDboot。接下來，下管關閉，上管開啟，Vout端被拉至HV。由于自舉電容兩端電壓不能突變，Vboot=HV+Vs－VDboot。這樣就得到了為上管供應柵壓驅動邏輯所需的高端電壓。2023/3/271/81自舉電路片內集成自舉電路2023/3/272/81電平移位及高端邏輯電路LDMOS100ns2023/3/273/81電平移位及高端邏輯電路高壓隔離區(qū)域剖面圖2023/3/274/81電平移位及高端邏輯電路

高端欠壓檢測電路2023/3/275/81熒光燈驅動SPIC的BCD工藝整塊芯片運用的是P型外延的N阱工藝。