柵電容導(dǎo)通時間.ppt

1、2020/9/23,1,第七章 智能功率集成電路的設(shè)計,2020/9/23,2/84,主要內(nèi)容,SPIC設(shè)計考慮 PWM開關(guān)電源SPIC設(shè)計實例 熒光燈驅(qū)動SPIC設(shè)計實例,2020/9/23,3/84,SPIC設(shè)計考慮,工藝流程選擇 功率器件關(guān)鍵參數(shù)確定 關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)計,2020/9/23,4/84,智能功率集成電路SPIC,一般包括： 功率控制 檢測 / 保護 接口電路,目標(biāo) 盡可能少的工藝步驟， 實現(xiàn)最佳功率器件性能,2020/9/23,5/84,工藝流程選擇,SPIC一般實現(xiàn)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(xiàn)。 工藝改造的好處： 一方面

2、可以減小工藝成本和實現(xiàn)難度，另一方面也提高工藝 的穩(wěn)定性。,2020/9/23,6/84,SPIC基本工藝流程,SPIC工藝主要可分為外延層結(jié)構(gòu)工藝和無外延層結(jié)構(gòu)工藝。 這兩種工藝技術(shù)各有特點，根據(jù)電路、器件、特性等方面不 同的要求，其最恰當(dāng)?shù)募嫒莨に嚪绞揭泊蟛幌嗤Ｏ啾榷裕?目前無外延層結(jié)構(gòu)工藝較為普遍。,2020/9/23,7/84,功率器件關(guān)鍵參數(shù)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1/22/3。 設(shè)計性能良好的功率器件是整個智能功率集成電路設(shè)計的關(guān)鍵，其中耐壓和導(dǎo)通電阻是SPIC的重要指標(biāo)。,2020/9/23,8/84

3、,功率器件的主要技術(shù)參數(shù),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(shù)：閾值電壓、IV特性、柵特性和特征 導(dǎo)通電阻等； 動態(tài)特性參數(shù)：柵電容、導(dǎo)通時間、關(guān)斷時間和開關(guān) 頻率等； 器件安全工作區(qū)（SOA）。,2020/9/23,9/84,關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)計,在改造工藝上調(diào)整有限的工藝參數(shù)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(shù)，可以采用理論推導(dǎo)和TCAD 仿真相結(jié)合的方式。,2020/9/23,10/84,PWM開關(guān)電源SPIC設(shè)計實例,開關(guān)電源原理及開關(guān)電源SPIC 開關(guān)電源SPIC模塊電路 開關(guān)電源SPIC的BCD工藝流程 開關(guān)電

4、源SPIC的版圖設(shè)計,2020/9/23,11/84,開關(guān)電源原理,TOP223,2020/9/23,12/84,開關(guān)電源TOP223,TOP223芯片是一個自我偏置、自我保護的用線性電流控制占空比轉(zhuǎn)換的開關(guān)電源。主要包括： 主電路部分 偏置電路、分流調(diào)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(dǎo)通時間延遲、驅(qū)動電路、組合邏輯電路 輔助保護電路部分 溫度保護電路、過流保護電路、欠壓保護電路、8分頻復(fù)位延時 電路、高壓充電電路,2020/9/23,13/84,TOP223芯片管腳,DRAIN：輸出管MOSFET的漏極。在啟動時，通過一個內(nèi)部 開關(guān)控制的高壓電流源提供內(nèi)部偏置

5、電流。 CONTROL：作為占空比控制時，是誤差放大器和反饋電流的 輸入端。也用做內(nèi)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。原邊控制電流的公共參考點。,2020/9/23,14/84,TOP223封裝,2020/9/23,15/84,TOP223性能參數(shù),極限參數(shù) 漏極電壓：-0.3V到700V； 漏極電流增加速度(ID/每100ns)： 0.1ILIMIT(MAX) 控制腳電壓：-0.3V到9V 控制腳電流：100mA 儲存溫度：-65到125 工作結(jié)溫度：-40到150,2020/9/23,16/84,TOP223性

6、能參數(shù),電學(xué)參數(shù) 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(dǎo)通電阻：7.8 (ID=100mA，Tj=25) 保護電流：1.00A(Tj=25) 最大占空比：67%,2020/9/23,17/84,開關(guān)電源SPICTOP223,2020/9/23,18/84,偏置電路,欠壓保 護輸入,1:8,IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5 ;,IE9= IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5 ;,VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5,當(dāng)發(fā)生欠壓時，偏置電壓1調(diào)節(jié)鋸齒波發(fā)生器輸出頻率 由之

7、前正常工作的100kHz減小為3kHz，減小功耗。,2020/9/23,19/84,誤差放大器,PMOS寬長比很大， 實現(xiàn)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26mA，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；,2020/9/23,20/84,誤差放大器仿真結(jié)果,2020/9/23,21/84,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，控制C1的充放電,2V,0.7V,方波脈沖,2020/9/23,22/84,鋸齒波電路仿真圖,頻率為100KHz,2020/9/23

8、,23/84,PWM比較器,2020/9/23,24/84,PWM比較器仿真圖,2020/9/23,25/84,驅(qū)動電路,2020/9/23,26/84,最小導(dǎo)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(dāng)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。,2020/9/23,27/84,組合邏輯電路,最大占空比不超過67% 最小導(dǎo)通時間（占空比 1%） 綜合處理各種保護信號,2020/9/23,28/84,保護電路,在TOP223中，保護電路是非常完備的，它包括溫度 保護電路、過流保護電路、欠壓保護電路等。有關(guān)保 護電路可以參考第五章節(jié)。,2020/9/23,

9、29/84,軟啟動電路,當(dāng)電路由于某種非正常原因引起保護電路動作，關(guān)斷部分電路后，一般希望電路能在故障消除后重新恢復(fù)工作，所以需加軟啟動電路。,LDMOS,Vcontrol,內(nèi)部電源VC,電路正常運作時，控制信號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(nèi)部電源的正常電壓,2020/9/23,30/84,整體性能分析,輸入,輸出,輸出隨輸入電壓變化的影響,2020/9/23,31/84,電路中需要的器件,2020/9/23,32/84,開關(guān)電源SPIC的BCD工藝流程,雙RESURF結(jié)構(gòu)（N-漂移區(qū)內(nèi)有P-注入）橫向功率器 件在導(dǎo)通電阻、擊穿電壓和安全工作區(qū)等特性方面，

10、要比單RESURF結(jié)構(gòu)器件更有優(yōu)勢。 在常規(guī)BiCMOS工藝基礎(chǔ)上，充分考慮光刻板、工藝 步驟的兼容性，結(jié)合各種器件的特性，實現(xiàn)兼容700V 耐壓LDMOS的BCD工藝。,2020/9/23,33/84,工藝流程,1、采用100晶向P型硅襯底(電阻率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。,2020/9/23,34/84,工藝流程,3、淡硼P-區(qū)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場區(qū)注入、LDMOS溝道注入、NMOS的P型襯底調(diào)整、離子注入電阻、雙極晶體管淡基區(qū)。,2020/9/23,35/84,工藝流程,4、有源區(qū)光刻； 掩膜版3,2020/9/23,36/84,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；,形成電容下極板周圍的環(huán)、高 管濃基區(qū)。,2020/9/23,37/84,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

12、晶硅Rs=15/。掩膜版5,2020/9/23,38/84,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。,2020/9/23,39/84,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。,2020/9/23,40/84,工藝流程,10、引線孔光刻; 掩膜版8,2020/9/23,41/84,工藝流程,11、鋁淀積; 掩膜版9,12、PAD; 掩膜版10,2020/9/23

13、,42/84,開關(guān)電源SPIC的版圖設(shè)計,芯片面積： 3mm2mm 最小線寬： 3m,2020/9/23,43/84,版圖檢查,2020/9/23,44/84,版圖檢查,工藝層次的定義：,2020/9/23,45/84,版圖檢查,2020/9/23,46/84,版圖檢查 DRC文件,2020/9/23,47/84,版圖檢查 Extract文件,2020/9/23,48/84,版圖檢查 LVS文件,2020/9/23,49/81,熒光燈驅(qū)動SPIC設(shè)計實例,高頻照明原理及電子鎮(zhèn)流器IC 熒光燈驅(qū)動SPIC模塊電路 熒光燈驅(qū)動SPIC的BCD工藝流程 熒光燈驅(qū)動SPIC的版圖設(shè)計,2020/9/2

14、3,50/81,高頻照明原理,高頻照明利用高頻鎮(zhèn)流器控制對熒光燈燈絲預(yù)熱，當(dāng)燈絲預(yù)熱充 分后再利用諧振回路諧振產(chǎn)生的高壓來啟輝燈管，最后仍然通過 鎮(zhèn)流器控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(yù)熱、啟動時間都可以控制，而且一次性啟輝， 高頻運行時陰極的溫度較低，陰極降落幾乎為零，并且還可以通 過IC設(shè)計來處理燈的異常工作狀態(tài)，這些特點都可以延長燈管的 壽命。,2020/9/23,51/81,電子鎮(zhèn)流器ICUBA2014,半橋驅(qū)動,2020/9/23,52/81,UBA2014特點,預(yù)熱時間可調(diào) 電流型控制工作 一次性啟輝 自適應(yīng)死區(qū)時間控制 集成電位上

15、浮功能 防燈失效及無燈管模式 可調(diào)光至10%等,2020/9/23,53/81,UBA2014管腳和封裝,2020/9/23,54/81,UBA2014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(yù)熱 起輝 點亮 燈失效,2020/9/23,55/81,UBA2014工作狀態(tài)啟動,啟動電阻,啟動電容,當(dāng)VDD的電壓值到達啟動門限（典型值: 13v）時，電路開始工作，內(nèi)部振蕩器在最高頻率(100 kHz)開始起振；啟動狀態(tài)下，高端功率MOS管和低端功率MOS管都處于不導(dǎo)通的狀態(tài)。,2020/9/23,56/84,UBA2014工作狀態(tài)預(yù)熱,在預(yù)熱狀態(tài)下，大電流通過燈絲預(yù)熱，燈絲發(fā)射大量的

16、電子，允許在較低 的電壓下，觸發(fā)點亮燈絲，減少對燈絲的損傷，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(yù)熱電流感應(yīng)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。,2020/9/23,57/81,UBA2014工作狀態(tài)起輝,預(yù)熱過后，電路進入起輝狀態(tài)，內(nèi)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(lián)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(fù)載的串聯(lián)諧 振頻率，在燈管上就會產(chǎn)生較大的電壓（大于450V ）使燈管啟跳點亮。,2020/9/23,58/81,UBA2014工作狀態(tài)點亮,當(dāng)頻率到達最

17、小值后，電路進入點亮狀態(tài)。燈一旦被點亮，LC串聯(lián)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）開始工作。一旦電阻R14上的平均電壓到達參考電平時， ACS電路將會通過對CSW上的電容充放電來反饋控制頻率，進而控制燈電流和燈的亮度。,2020/9/23,59/81,0.81 V,1.49 V,正常啟輝時的波形,2020/9/23,60/81,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(dāng)電源電壓下降到一定值后電路才會被重置。,2020/9/23,61/81,燈失效模,2、失效在點亮狀態(tài),在正常工作時，燈

18、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。 如果再次啟輝時間結(jié)束后，電平仍然被箝置在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。,2020/9/23,62/81,可調(diào)死區(qū)時間,高壓功率管,2020/9/23,63/81,可調(diào)死區(qū)時間,2020/9/23,64/81,熒光燈驅(qū)動SPIC模塊電路,UBA2014芯片是一塊耐高壓的半橋熒光燈驅(qū) 動芯片，主要可分為偏置及基準(zhǔn)電路、方波及鋸 齒波發(fā)生器、遲滯比較器、 5V模擬（數(shù)字）電 源生成電路、壓控信號產(chǎn)生及調(diào)光電路、自適應(yīng) 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。,2020/9/23,65

19、/81,主偏置及基準(zhǔn)電路,2020/9/23,66/81,2.5V緩沖基準(zhǔn)源,2020/9/23,67/81,電流基準(zhǔn)電路,這款電路全部采用的是電流模的方式來提供 偏置。這樣做的好處是：電壓值通過導(dǎo)線進 行遠距離傳輸時，由于導(dǎo)線上存在的小電阻 會使電壓值產(chǎn)生誤差。,2020/9/23,68/81,方波形發(fā)生器,產(chǎn)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(yù)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。,2020/9/23,69/81,頻率可調(diào)鋸齒波發(fā)生器,CF充電電流 控制信號,2.5V,1. 初始狀態(tài)下，充電電流

20、由Q1決定。Q2基極電壓 逐漸上升；,2. Q2基極電壓達到2.5V之前，M40始終關(guān)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(diào)節(jié),2020/9/23,70/81,壓控信號產(chǎn)生及調(diào)光電路,CSW 外接電容,CSW放電 控制,CSW充電 控制,CSW鉗位輸出信號,CSW鉗位輸入信號,跳頻控制,調(diào)光使能端,2020/9/23,71/81,壓控信號產(chǎn)生及調(diào)光電路,CSW鉗位輸出信號,CSW鉗位輸入信號,CF充電電流控制信號,控制M40的柵極 電壓 調(diào)節(jié)CF,2020/9/23,72/81,自適應(yīng)死區(qū)時間電路,確定預(yù)熱時間,2020/9/23,70/81,自舉電路,當(dāng)電路開始起振時，下管首先開 啟，而上管則處于關(guān)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(guān)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+VsVDboot。這樣就得 到了為上管提供柵壓驅(qū)動邏輯所需的 高端電壓。,2020/9/23,71/81,自舉電路,