新型49E线性霍尔集成电路设计开发.doc

新型49E线性霍尔集成电路的设计开发可行性研究报告申报单位：二一二年四月-1-目目录录一、项目实施的背景和意义.-2-立项背景.-2-立项意义.-4-二、项目涉及的相关技术在国内外的研究现状和发展趋势.-5-三、研究开发的主要内容和关键技术.-8-本项目研发的主要内容：.-8-1、集成电路布图设计.-8-2、电源正向耐压提升研究.-8-3、损坏保护，防止出现飞车事故研究.-11-4、灵敏度提升研究.-12-5、输出对地短路电流稳定设计.-13-6、版图优化设计.-13-7、简单稳定的启动恒流源研究.-14-关键技术.-15-创新点.-16-1、新型49E线性霍尔集成电路的设计开发.-16-2、电源正向耐高压设计.-16-3、损坏保护和防飞车设计.-16-四、预期目标.-17-主要技术与性能指标.-17-主要经济、社会效益指标（项目实施期内）.-17-主要成果目标.-18-五、研究方案、技术路线、组织方式与项目组成员分工.-18-研究方案和技术路线.-18-项目组织方式与项目组成员分工.-20-六、计划进度安排.-22-七、现有工作基础和条件.-23-八、科研经费预算.-23-2-本项目符合国家重点支持的高新技术领域（2008）第一类“电子信息技术”、第（二）分类“微电子技术”之第2小类“集成电路产品设计技术”所包括的“专用集成电路芯片开发”的范畴。本项目符合2012年度金华市级科技计划项目重点支持的“电子信息”立项方向。一、项目实施的背景和意义立项背景由于霍尔集成电路能完全满足许多苛刻的要求：工作电压宽(一般在324V)；工作温区宽(民用品为-2085，军用品为-55150，汽车检测专用品为-55150，浪涌180)；灵敏度高(能检测很低的磁感应强度或在低磁盛应强度下改变输出状态)；抗干扰能力强；工作频率高(DC100KHz)；响应速度快、可靠性高；能在恶劣的环境(例如高温、强震、腐性气氛、油污、灰尘等)中工作；能和多种负载例如灯泡、继电器、晶体管、晶闸管以及各种逻辑电路直接接口；因而具有强大的生命力。霍尔传感器的品种很多。比较典型的有霍尔接近传感器或接近开关、霍尔位置传感器、霍尔转速传感器、霍尔液位传感器、霍尔-3-流量计、霍尔电流(电压)传感器、霍尔隔离放大器等等。它们的基本原理都是利用霍尔器件去传感磁场或与磁场相关的次级变量，然后转换成电讯号输出。因为用途广泛，因而形成了多种多样的结构形式，衍生出许许多多的品种，在我们日常生活中得到广泛的应用。比如电动车控制电路中大量用到霍尔式传感器件。常见的电动车控制系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、MOSFET全桥电路、限流电路等。霍尔式传感器在电动车上的应用主要有控制作用和检测作用。如图1是其在电动车上的应用框图。、无刷电动机图1霍尔传感器在电动车上的应用框图近几年随着国内电动车市场的蓬勃发展，转把上用的线性霍尔集成电路49E的需求量直线上升（国内有报导说年增长率达50)。-4-然而，目前市场上线性霍尔集成电路49E都存在耐压不足的缺陷，以美国honeywell公司的SS49E为代表，其电源的正向耐压只有14V，灵敏度在1.21.6mvgs，没有输出保护设计，他们也不会单单为了国内电动车这个市场而改进设计或重新设计。而国内同类产品都是仿制SS49E而设计，参数都差不多，同样都存在这个不足。通过存储示波器观察到目前的电动车控制器的5V电源上叠加有电瓶的脉冲高压，电瓶电压有24V、36V、48V，尤其是48V的电瓶充电会浮充到56V，所以该电路的电源正向耐压需要超过56V。同时，整车厂家常有用户投诉电动车飞车伤人的事故，因为转把烧坏后霍尔电路的输出端电压超过1.0V，甚至超过4.0V，一开电源，车子就飞出去了，影响很坏，后果很严重。因此，本项目就是要针对49E耐压不足的缺陷，设计开发一种新型耐高压的线性霍尔，解决输出保护功能，满足电动车转把对线性霍尔的技术要求。立项意义本项目承担单位是一家集成电路专业设计企业。主要从事集成电路的专业设计开发及其测试和销售。公司开发设计生产了新型49E、SX3503、S41H、SX496B、SX1881、SX3144、SX177等线性-5-霍尔集成电路和双极锁定、单极开关霍尔集成电路。公司的技术开发能力和产品品质已经获得业内公认。通过本项目的研发，能解决49E耐压和输出保护功能不足的关键共性技术，填补耐高压型49E线性霍尔产品的空白，不仅可以对国内霍尔集成电路设计行业起示范作用，还能有效地满足下游电动车转把产业对线性霍尔全面的技术要求。同时，本项目通过提高产品的灵敏度，可以缩小与之配套磁钢的尺寸，进而减少稀土耗材，对于响应国家对稀土的开发控制政策也具有重要的现实意义。本项目能较快地形成产业化生产，为国内集成电路制造业提供创新设计技术，对于提升企业的软实力，提升企业的核心竞争能力，推动我市集成电路行业和下游电动车行业技术的进步，同样具有显著的经济和社会意义。二、项目涉及的相关技术在国内外的研究现状和发展趋势霍尔器件成为商品，是上世纪70年代后才蓬勃发展起来的。因用途日广而出现了许多种霍尔电路，除一般线性和开关电路外，还有功率霍尔电路、差分霍尔电路、互补输出、正逻辑输出以及具备一定判断功能的霍尔电路等等。目前，国内外霍尔电路技术上有三大热点，首先是要充分发挥-6-霍尔效应的功用，即最大限度地提高霍尔片的灵敏度，同时尽可能地抑制由其自身产生或外界引入的干扰讯号，最主要的是在外磁场为零时，由于材料的不均匀或制造过程中的各种不均匀或不对称而引起的偏离电压(国外称OffsetVoltage，国内译作“剩余电压“不平衡电压”“不等位电压”“失真电压”等等)。由这些因素引起的偏离电压的数值，有时甚至可超过外加的工作磁感应强度的大小，使电路不能正常工作或产生极大误差。对分立的霍尔元件，可在外电路上对偏离电压进行补偿，对集成电路则需在设计、材料选用和制作工艺上采用多种技术，来收到抑制和补偿作用。最重要的，在制作工艺中，要采用特殊的封装结构和包封材料。这是第一大热点。第二方面是为适应各种严厉的工作条件例如高温、电源电压大范围变化，强负载(需抽出或吸入大电流)等等而必须采取的一系列的补偿、调整和功率放大等等技术措施。第三方面则是设计和研制各种具备特殊功能的电路，例如差动电路，具有某种逻辑判断功能的电路以及专用于驱动无刷电机的霍尔电路等等。在这些方面，国外整体研究的技术水平领先于国内，但国内近十年来呈快速发展，迎头赶上之势，尤其在产品的差异化设计领域-7-已不弱于国外。随着国家对集成电路产业的持续政策支持和国内集成电路行业自主创新能力的提高，已经不满足于对引进技术和装备的消化和吸收，在集成电路的多个方面不断取得新的突破和发展。具体到线性霍尔集成电路行业，目前有两个发展方向：1、灵敏度大小不可调；2、灵敏度大小可调。按目前的集成电路工艺发展水平，把可擦写存储单元集成到芯片内部来调节增益大小，改变灵敏度，使之符合各自的使用要求，技术上并无难点，问题是这样做的IC成本高，以此为代表的是Micronas。美国Allegro公司在可编程线性HallIC上发展很迟缓，现在其注意力集中在电流检测行业。当然灵敏度不可调的线性霍尔集成电路成本优势大，在稳定的使用场合市场占有率很高。同时，线性霍尔IC一个主要共同点就是耐压低，普通线性霍尔IC都和Allegro的A3503，Honeywell的SS49E类似，耐压约14V，国外公司中同类产品耐压最高的是Micronas公司，其产品耐压也低于30V，如果有高压脉冲，电路就得损坏。而国内同类产品绝大多数是仿制SS49E而设计，很少仿制ALLEGRO公司的A3503，参数都差不多，同样都存在耐压不足的缺陷。-8-本项目产品新型49E线性霍尔集成电路即是一项超越国外同类产品49E，具有自主知识产权、更高技术含量、更优性价比的升级产品。经查新检索，在本项目所涉及的关键技术除了承担单位已申报的国家集成电路布图设计之外还未见公开表述；本项目将达到的主要性能指标Vcc最高击穿电压60V以上也未见述及。三、研究开发的主要内容和关键技术本项目研发的主要内容：1、集成电路布图设计新型49E线性霍尔集成电路布图设计，采用ICEDA工具版本优化和技术提升，包括设计环境管理器、原理图编辑、版图编辑、自动版图生成、版图验证以及参数提取与反标等工具进行总图、发射区层、隔离层、基区层、金属层、埋层、压点层和引线孔层的设计。2、电源正向耐压提升研究49E额定工作电压在5V，实际应用中损坏电路都是出现类似高压烧毁的情况。经存储示波器测试，发现5V电源有叠加的48V脉冲电压。因此提高现有49E的耐压从对地从原14V左右提升到60V以上，就可以基本杜绝了此类5V工作环境中的脉冲击穿发生。-9-耐压的提升，不能影响正常的工作性能。最好的办法是能有一个理想的稳压源，当外部电压14V后，其内部工作电压14V；当外部电压下降到5V后，内部工作电压Vcc也能大于4.9V（因为5V工作时，输出高电平不能小于4.15V，同时又不能大于4.3V，输出电平Vcc-IccR-0.75V），事实上这样的IC内部集成稳压源在不考虑成本的条件下都是很难实现的。如果纯粹是在Vcc上加电阻，当Vcc=5V，内部工作电压=5V-IccR，Icc内部工作电流，约为3mA，此时要求IccR260150（），片子肯定烧坏了，虽然能提高一点耐压，但达不到48V的要求。如果有类似电阻的器件，在一定的端电压范围内，电阻阻值保持基本不变；当端电压超过一定的值后，电流基本保持不变，这样确保高压功耗不会太高。图2中设计就采用了这样的电阻，当电源在5V时，电阻远小于1K，对电路基本没有影响；当电源电压升高到不超过60V时，芯片整体电源电流14mA，功耗0.01460=0.84（W），按140W算，芯片内部温度1400.84+25=142.6150（），电路仍然保持完好，更不用说电源低于60V的情况了。-11-图23、损坏保护，防止出现飞车事故研究耐压的提高，虽然有效地降低了击穿损坏发生，但也没法完全阻止。当可能的击穿发生时，确保输出电平不能高于0.8V，这样保证了不发生“飞车”的危险。正常情况下，线性霍尔电路输出高于1.0V，控制器才会驱动电机运转。串加的电阻器件串加的电阻器件损坏保护电路损坏保护电路-12-图3基于上述原理，本项目进行了如图3所示的损坏保护设计，当电路发生击穿后，电流迅速升高，电路急剧发热，“保险丝”部分会首先熔断，切断内部供电，保证输出低于0.8V，防止出现“飞车”的危险，确保使用者的人身安全。4、灵敏度提升研究提升产品的灵敏度，可以降低对磁铁的用量要求，从而为客户降低产品成本。根据晶体管的放大原理，与灵敏度构成线性关系的是VhGmRc（Vh为内部霍尔电压）。由此可知，要提高灵敏度可以增加Vh、Gm、Rc。其中Vh是工艺和版图设计决定的；Rc在一定情况下，受成本等因素制约；改变Gm在此无疑是最佳选择，且对电路的参数几乎没影响。因为Gm=IcVtVt在一定温度下为定值，Ic在电路中约为电源电流的120，比如，Ic增加15灵敏度可以提高约20%，对电源电流影响却只有1%，电路工作受到的影响微乎其微。本项目通过研究Gm的最适参数，灵敏度可以从S49E的1.6mVGS提高到2.0mVGS。这样可以用更小体积、更低磁场强度的磁体，可以帮客户降低成本（低强度磁体价格更低），也可以容许客户的注塑模具有相对较大的误差，即霍尔电路离磁铁较远仍能保-13-证输出电平符合最终客户的要求（高电平大于4.0V，低电平小于1.0V）。5、输出对地短路电流稳定设计这一性能是由内部结构所决定的，下图4所示区域将49E设计成独立的陷电流源。当输出对地短接后，陷电流管只会影响单独的陷电流，不会影响内部别的电流源（如驱动电流），因此输出对地短路电流相对恒定。图46、版图优化设计在图5所示高压击穿保护分区设计，当内部发生高压大电流击穿后，击穿区域尽量分布在可控制的单独区域，形成分区排布，不会相互影响，从而有效的保护输出。独立的陷电流源设计独立的陷电流源设计-14-图5优异的版图对称排布，刚好利用实际需要的模块组合，把霍尔发生器对称排布，而无需额外的多余版图，浪费芯片面积，有效地节省成本（图6）。图67、简单稳定的启动恒流源研究启动恒流源设计（下图7）利用外延电阻的大阻值和精确基区高压击穿保护分区设计高压击穿保护分区设计-15-电阻，来保证在如此小的面积的情况下，恒流源相对稳定恒流。而不是像SS49E用大的P型电阻和更多的P+（基区）电阻、再加上更加浪费面积的pnp管。此设计生成的恒流源，太浪费芯片面积，效果没有区别。图7关键技术1、电源正向耐压设计技术电源正向耐压设计技术现有线性霍尔耐压设计技术中只能耐压达到低于30V，本项目通过对各种电源正向耐压设计方案的研究，创新设计了一种串加电阻器件电源正向耐压电路，实现耐压达到60V的水准。2、防飞车损坏保护设计防飞车损坏保护设计现有线性霍尔损坏保护电路均未考虑“防飞车”设计，本项目设计启动恒流源设计启动恒流源设计-16-了一种损坏保护电路，可以实现保证输出低于0.8V，防止出现“飞车”的危险。3、灵敏度提升技术灵敏度提升技术现有线性霍尔S49E灵敏度一般只有1.6mVGS，本项目通过研究Gm的最适参数，灵敏度可以提高到2.0mVGS。创新点本项目主要创新点：1、新型49E线性霍尔集成电路的设计开发包括集成电路布图设计及新型49E耐高压线性霍尔集成电路关键技术的研发。2、电源正向耐高压设计本项目设计了一种比同类线性霍尔更简洁稳定的启动电路，Vcc由击穿1415V，提高到最高击穿电压60V以上，防止脉冲高压损坏。3、损坏保护和防飞车设计即使发生击穿损坏现象，本项目的损坏保护电路设计，可以在电路发生击穿后，电流迅速升高，电路急剧发热，“保险丝”部分会首先熔断，切断内部供电，保证输出低于0.8V，防止出现“飞车”的危-17-险，这对电动车领域十分重要，也就是有了防飞车保护，确保使用安全。以上创新点经国家一级查新单位浙江省科技信息研究院查新，其结论是：“经分析比较，委托单位设计的新型49E线性霍尔集成电路，设计了损坏保护和防飞车功能，在电路发生击穿时可以保证输出电压低于0.8V，防止出现“飞车”的特点，在所文献中未见述及。”四、预期目标主要技术与性能指标ID指标名称行业内标准值计划目标值备注1电源耐压14V60V2灵敏度1.01.75mvgs2.0mvgs3输出高电平VOH4.0V(测试条件:1000GS5V)VOH4.2V(测试条件:1200GS5V)4输出低电平1.0V0L0.8V(测试条件：-1000GS5V)1.0V0L0.8V(测试条件：-1200GS5V)5高压脉冲击穿后输出电压无0.8V主要经济、社会效益指标（项目实施期内）新增销售收入500万元新增净利润35万元新增缴税总额40万元节约外汇80万美元-18-主要成果目标成果类型目标数量知识产权集成电路布图设计版权1项成果鉴定科技成果省级鉴定1项五、研究方案、技术路线、组织方式与项目组成员分工研究方案和技术路线1、项目研究方案项目咨询调研根据对业内49E型线性霍尔集成电路现状的调研和专家咨询，进行项目可行性论证。项目计划准备根据可行性研究，制定项目总体技术方案和实施计划，对相关技术和资源（人力资源、项目经费、研发设施设备等）进行整合，为项目实施做好装备。项目开发建设根据项目总体技术方案和实施计划，按项目管理法，对任务、时限、责任人等要求，进行研发活动。项目运行测试-19-对项目运行的各个阶段进行评审，对样品进行运行测试。项目应用技术支持和持续优化改进对项目所涉及的相关技术及项目产品的应用提供完善的技术支持，并针对运行测试中的不足进行持续持续改进，对项目产品进行持续优化。2、项目技术路线-20-、&、OKNG、&、NGOK、项目组织方式与项目组成员分工本项目采用项目经理负责制。在设计研究阶段，分关键技术研究组、模块化设计和总图设计组、工装零部件设计和技术支持组；制造阶段由各设计组和试制组分工合作；验证测试由设计和制造人员共同参与。主要成员具体分工如下：-21-姓名性别年龄专业技术职务、职称专业工作单位在本项目中的分工陈男44工程师半导体物理与器件项目总负责总设计汤男34技术员电子信息工程电路布图设计周男31技术员应用电子样品试制李男33工程师固体物理与微电子串加电阻器件电源正向耐压电路等关键技术研究赖男37工程师电子信息工程测试验证-22-六、计划进度安排ID任务名称开始时间完成持续时间2011年2012年2013年11月12月01月02月03月04月05月06月07月08月09月10月11月12月01月02月03月04月05月06月148d2012152011111立项调研、总体设计方案确定271d2012413201216总图设计3195d201210292012131耐压、灵敏度等关键技术研究443d201212312012111模块化设计、产品试制563d201343201317测试验证、客户试用；持续改进661d201371201348产品定型、产业化；项目验收-23-七、现有工作基础和条件项目承担单位成立于2006年10月，是一家集成电路设计企业。主要从事集成电路的专业设计开发、测试和生产、销售。公司拥有一个良好的开发团队和管理团队，公司的技术能力和产品品质已经获得业内公认。目前，国内电机专业生产厂家中排名全国前三位的企业，以及六家电动车行业转把专业生产厂家中的五家企业，都与公司建立了良好的合作关系。新大洋电机，裕成电机，庆瓯转把，五星转把和同盛转把等产品都普遍采用或全部采用了我公司生产的霍尔电路。公司不仅把引进技术消化吸收作为企业发展的必要手段，同时也把自主创新作为企业立足之本，从而构建企业的核心竞争力。2010年初成立了企业研发中心。公司现有员工人数12人，其中大专以上科技人员6人，占50%，直接研发人员5人，占42%。专业分布有半导体物理与器件、固体物理与微电子学、电子信息工程等学科，均具有多年独立开发的经验。公司研发中心是隶属于企业的一个独立安排工作计划、财务基本实现独立核算的企业研发机构。中心现有研发场地面积90余平方米，拥有太阳微服务器、cadence操作系统、测试系统、3196B全自动霍尔测试机械手、高压漏电测试仪等研发需要的设施、设备和软-24-件开发工具。八、科研经费预算-25-本项目总投入预算需200万元，其中向金华市财政局申请资助30万元，其余资金及资助不足部分由项目承担单位自筹解决。经费支出详见下表。经费预算、市财政科技经费补助使用计划表经费预算、市财政科技经费补助使用计划表项目名称:新型49E线性霍尔集成电路的设计开发金额单