栅电容、导通时间

2020/5/151第七章智能功率集成电路的设计2020/5/152/84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2020/5/153/84SPIC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2020/5/154/84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2020/5/155/84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。2020/5/156/84SPIC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。2020/5/157/84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1/2~2/3。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。2020/5/158/84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）。2020/5/159/84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。2020/5/1510/84PWM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开关电源SPIC的版图设计2020/5/1511/84开关电源原理t2t3t4t311Vt2t3t4t311VTOP2232020/5/1512/84开关电源TOP223TOP223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2020/5/1513/84TOP223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。2020/5/1514/84TOP223封装2020/5/1515/84TOP223性能参数极限参数漏极电压：-0.3V到700V；漏极电流增加速度(ΔID/每100ns)：0.1×ILIMIT(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℃2020/5/1516/84TOP223性能参数电学参数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：7.8Ω(ID=100mA，Tj=25℃)保护电流：1.00A(Tj=25℃)最大占空比：67%2020/5/1517/84开关电源SPIC—TOP2232020/5/1518/84偏置电路M1M2M3C1R1Q1Q3Q2Q4R2M4M5M6M7Q9Q8Q5Q7Q6R3R4R5R6Q10C2偏置电压1基准电压偏置电压2M8电路控制电压欠压保护输出欠压保护输入1:8IR5=(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前正常工作的100kHz减小为3kHz，减小功耗。2020/5/1519/84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2~6mA，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；2020/5/1520/84误差放大器仿真结果2020/5/1521/84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2V0.7V方波脉冲2020/5/1522/84锯齿波电路仿真图频率为100KHz2020/5/1523/84PWM比较器2020/5/1524/84PWM比较器仿真图Q21栅控电压DrainQ8Q6Q22Q23Q3Q19Q18Q13R1Q1Q14偏置电压Q9Q20Q2Q17Q150Q10Q7Vc偏置电压Q16Q4Q11Q12Q24Q5Q25C12020/5/1525/84驱动电路2020/5/1526/84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。2020/5/1527/84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2020/5/1528/84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。2020/5/1529/84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。LDMOSVcontrol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2020/5/1530/84整体性能分析输入输出输出随输入电压变化的影响2020/5/1531/84电路中需要的器件元器件类别具体元器件高压器件HV-LDMOS低压器件CMOS、Diode、NPN、PNP无源元件电阻、电容2020/5/1532/84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，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。2020/5/1533/84工艺流程1、采用[100]晶向P型硅衬底(电阻率100Ω.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;N-wellN-wellN-wellP-substrate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。2020/5/1534/84工艺流程3、淡硼P-区光刻、注入、退火；掩膜版2硼注入,1.5e12/cm2,E=50KeV,T=1200oC,t=20’,N2、O2;P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-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。2020/5/1535/84工艺流程4、有源区光刻；掩膜版3P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-2020/5/1536/84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。2020/5/1537/84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，多晶硅Rs=15/。掩膜版5P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-P+2020/5/1538/84工艺流程P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-P+P+P+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。2020/5/1539/84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。P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-P+P+P+N+N+N+N+N+N+2020/5/1540/84工艺流程P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-P+P+P+N+N+N+N+N+N+10、引线孔光刻;掩膜版82020/5/1541/84工艺流程P-substrateN-wellN-wellN-wellP-P-P-P+P+P+N+N+N+N+N+N+11、铝淀积;掩膜版912、PAD;掩膜版102020/5/1542/84开关电源SPIC的版图设计芯片面积：3mm×2mm最小线宽：3μm2020/5/1543/84版图检查2020/5/1544/84版图检查工艺层次的定义：2020/5/1545/84版图检查2020/5/1546/84版图检查——DRC文件2020/5/1547/84版图检查——Extract文件2020/5/1548/84版图检查——LVS文件2020/5/1549/81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2020/5/1550/81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。2020/5/1551/81电子镇流器IC—UBA2014半桥驱动2020/5/1552/81UBA2014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集成电位上浮功能防灯失效及无灯管模式可调光至10%等2020/5/1553/81UBA2014管脚和封装2020/5/1554/81UBA2014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2020/5/1555/81UBA2014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(100kHz)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。2020/5/1556/84UBA2014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。2020/5/1557/81UBA2014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