（微电子学与固体电子学专业论文）pdp驱动芯片用高性能高压电路设计.pdf

摘要 p d p 高压驱动芯片分为列寻址芯片和行扫描芯片，一般输出电压在6 0 v 。2 0 0 v 的范围内，单路 的最大驱动电流从4 0 m a 到1 a 不等。由于芯片的功耗大，工作时会产生大量的热量，使芯片的温 度升高，影响芯片内功率器件的各种特性，进而影响到芯片的性能。因此要设计更加可靠和稳定的 芯片，降低功耗是重中之重。特别是随着显示图像质量的提高，以及平板显示器尺寸的增大，使得 驱动芯片的工作频率不断提高，功耗也就随之增大，低功耗方面的设计就显得尤为重要。 高压电路是高压驱动芯片的核心，高压电路的功耗占整个芯片自身总功耗的9 0 以上，并且直 接驱动p d p 屏负载。因此如何降低芯片的自身功耗，提高芯片的性能，高压电路的设计是首要的着 手点。本文主要包括以下三方面内容：首先建立了精确的高压器件模型，用来对高压电路进行仿真 和参数设计；接下来设计了新型高压电路结构，该结构能够有效降低芯片自身功耗；最后是p d p 驱 动芯片的版图，这里不但设计新型高压电路版图，也研究了避免场开启和闩锁等可靠性问题。 通过在体硅1 5 t t m 标准c m o s 工艺线上流水试验，证明本文所设计的高压器件模型精度在9 5 以上，高压驱动电路结构比传统电路结构功耗降低2 0 左右。最终将使用该高压电路结构的行、列 驱动芯片用于2 5 英寸高清晰荫罩式p d p ，较好地实现了动态图像的显示。本文设计的高压电路结 构目前已申请了一项国际专利和两项国家专利。 关键词：p d p 驱动芯片、低功耗、宏模型、高压电路 a b s t r a c t p d pd r i v e ri c si n c l u d ed a t ad r i v e ri c sa n ds c a nd r i v e ri c s f o rm o s tp d pd r i v e ri c s t h eo u t p u tv o l t a g ei s b e t w e e n6 0 va n d2 0 0 va n dt h eo u t p u tc u r r e n ti sf r o m4 0 m at o1 a i tw i l lh e a tt h ep d pd r i v e ri c sb yh i g h p o w e rc o n s u m p t i o n w h e nt h et e m p e r a t u r ew a sc l o s et oi t s m a x i m a lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，s o m e c h a r a c t e r so ft h ei n t e g r a t e dp o w e rd e v i c e sw o u l dd e g e n e r a t e t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o nw a sas e r i o u sp r o b l e mt op d pd r i v e ri c sd e s i g n e r s n o w a d a y s t h eh i g hv o l t a g eo u t p u t f r e q u e n c yo fp d pd r i v e ri c si si m p r o v e dy e a rb yy e a r , a sf o r t h ei n c r e a s eo ft h ep a n e ls i z ea n d 山e r e q u i r e m e n to fh i g hd e f i n i t i o ni m a g e b e c a u s et h ep o w e rc o n s u m p t i o ni si n d i r e c tr a t i ot ot h eo u t p u t f r e q u e n c y , t h es i g n i f i c a n c eo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g ni sm o r ea n dm o r eo b v i o u s t h eh i g hv o l t a 骺d r i v e rc i r c u i ti so 1 eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a n si np d pd r i v e ri c s i tt a k e s9 0 p o w e r c o n s u m p t i o no fa 1 1 s ot h et h e s i so ft h ep a p e ri st od e s i g nah i g hp e r f o r m a n c eh i g hv o l t a g ed r i v e rc i r c u i t ，i n o r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fp d pd r i v e ti c s t h e r ea r et h r e et h r u s t si nt h ed e s i g no f t h eh i g hv o l t a g ed r i v e rc i r c u i t f i r s t ，i ti st h ea c c u r a t ep o w e rd e v i c em o d e l 。w h i c hi su s e dt oc i r c u i t s i m u l a t i o na n dd e s i g nc i r c u i tp a r a m e t e r s s e c o n d ，i ti sc i r c u i ts t r u c t u r e b yw h i c ht h el o wp o w e r c o n s u m p t i o ni sr e a l i z e d l a s t i ti st h el a y o u to ft h eh i g hv o l t a g ec i r c u i t i nt h i sp a r t 。t h ea t t e n t i o ni sn o t o n l yt h ec i r c u i ti a y o u t ，b u ta l s oh o wt oa v o i dp a r a s i t i cf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r sa n dl a t c h u p t h ep r o p o s e dc i r c u i tw a sf a b r i c a t e db a s e do nb u l k s i l i c o n1 5 u ms t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y t h et e s t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e c i s i o no fp o w e rd e v i c em o d e lw a sm o r et h a n9 5 a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o n o ft h ec i r c u i tw a sr e d u c e db y2 0 f i n a l l yb o t ht h es c a nd r i v e ri c sa n dt h ed a t ad r i v e ri c sw e r ea p p l i e di n 2 5i n c hh i g h d e f i n i t i o ns m p d pa n dt h ed y n a m i ci m a g ec a nb ed i s p l a y e ds u c c e s s f u l l y t h eh i g hv o l t a g e d r i v e rc i r c u i tp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a sb e e na p p l i e df o ro n ep c tp a t e n ta n dt w oc h i n ap a t e n t s k e y w o r d s ：p d pd r i v e ri c s ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , m a c r om o d e l ，h i g hv o l t a g ed d v e rc i r c u i t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：套：匆堑导师签名：日期： 2 幻占j 束自大学触+ 学位龟丈 课题背景介绍 绪论 彩色等离子体甲板显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l 简称p d p ) 竹沩新一代人屏幕显示器，正在吸 引越来越多人的注意。p d p 从发明至今己有儿斗年的时句，特别是1 9 9 6 年南十通、n e c 、松f 等 厂家的4 2 英寸p d p 开始人蕈投放市场，被视为p d p 时代的开端。近十年来p d p 技术不断成熟 成本也在不断降低，己成为4 2 英寸及以上甲扳显示领域虽具竞争力的技术2 n 然而随着 l c d 的e 述发展，p d p 在大尺寸显示领域已经受到l c d 全面的挑战不仅包括图像显示、可挂性 辞技术方面t 也包括价格及消赞者认可度方面。想要在竞争中获胜，p d p 的醴计者们必然要从拉术 和成本曲方面入手。 p d p 驱动芯片作为p d p 承统的核心部件之一可分为行芯片和列芯片，幽0 - i 给出了p d p 系 统框| ! l 。其中行芯片为扫描芯片，目前主流的p d p 行扫描芯片输出电j 1 三在6 0 v 剑2 0 0 v 之问输 山最人电流从4 0 ) m a 到i a 不等“路高压输山，输出频率较低。列驱动芯片与行芯片有所不同， 由r h j l + 寻址，列芯片有更高的数据频率和更多的驱动管脚而输出电斥和输出电流的要求则相对 较低。目前主流的p d p 列寻址芯片数据输山频率均为3 0 0 k h z 以上，9 6 路或1 9 2 路高压输出，作 电压不超过 0 0 v ，输山最大也流为4 0 m a 。p d p 驱动芯片功能是将图像处理输出的控制电平转化为 高压信号，实现p d p 点火、寻址带1 维持发光，最终在p d p 上显示牲| 像。由于p d p 驱动芯片的耐压、 电流、功耗等并个方面的特殊要求，其设计和制造成本都较高，并且每台大屏幕彩色f d p 中需要坩 到4 0 - - 5 0 片此类芯片，所以p d p 驱动芯片的成本和可靠性直接关系到p d p 整机的成本和可靠性 为此p d p 驱动芯片成为国外各大厂商竟相投八的研发重点。在国外p d p 驱动芯片的设计已经有二 十儿年的历史，日前p d p 驱动芯片主要制造厂商包括；n e c 、寓十通、l g 、三晕、t i 、s t 等。 r 徽拳 重 图0 1p d p 系统框图 镕m 囱内p d p 驱动芯片的研究起步较晚，研究单仃也较少。本人所0 的自、南人学阿家专h 集成电路 系统1 牲技术f 究中心在国家8 6 3 基金支持r ，经过儿年努力，终丁完成p d p 行、州驱动芯片的醴 计，井住高消晰p d p 上试川成功在田山具有领先水平”“”。本。h 0 设计的p d p 行、列驱动芯 片，通过体砖l 艺实现，高压部分采川n l d m o s 帛l p l d m o s 结杠j ，隔离为p n 结口黼离井通过 版凹设计防1 1 高低压电路串绕。与国外同囊p d p 驱动芯片r 泛采川的外延i 艺和s 0 1i 艺 g l i o ) 比较 体砘| 艺呒避免r 外延i 艺中复杂的深结隔离，x 避免了s o l 吲片的昂贵价格芯片制j 告成本t 且 有鞍人优势。然而要真止实现n 土殴计的p d p 驱动芯片产业化，使其能够被p d p 生产厂商应刚， 成本优势只是方面更为重要的是芯片可靠性问题。由，i 作过程中p d p 驱动芯片功耗较人，芯 片韫座或芯片局部温度会引高，芯j 5 温度提高会影响其山部功率器什的并种特性“”。特别是随着 电视幽像高清化和平扳显示器尺寸增凡，使驱动芯片的l 。作频率不断提高，功耗也随之增 ，可靠 性问题变得越来越重瑶。这便是亦文研究的 手点。 本文针对体硅l ：兰p d p 行、列驱动芯片通过新型高压电路殴计降低芯片的功耗提高芯片 的可靠性。 高压电路的研究意义 幽0 - 2 给山了p d p 驱动芯片电路框凹，p d p 驱动芯片土要包拈以f 几个驱动模块：控制模块 移位锁存模块、输山控制模块、延迟i u 路模块和高f f - f u 路模块。 围o - 2p d p 驱动芯片框图 p d p 驱动芯片中控制模块、移位锁存模块希l 输山控制模块将串 _ 数据转换为升行数据同时实 现对高压输山的控制，包括数据移位顺序、输频率、输出状态( 全高、全低、高阻利拷贝输山) 等。延迟电路模块主要足将1 j i 数的信号转换成符合一定时序芙系的控制信号，实现对高压驱动模块 的控制。以上模块都是由低压电路实现的。 高乐l u 路模块是p d p 驱动芯片的输出电路，完成芯片低压信号到高雎驱动信号的转换功能。一 般高压电路版幽面积co - 到全芯片面积的5 0 以上高| 三电路的功耗更姓，- 粘个芯片自身总功耗的 9 0 以上。所以说高压电路是p d p 驱动芯片的核心部分，高压电路的研究对芯片的成本 i 可靠性都 有重要意义。 东南大学硕 ：学位论文 本论文的主要内容 本论文以三款芯片：s e d 9 0 0 6 s 7 、s e d 9 0 0 6 s 1 1 和s e d 9 9 0 2 s c 3 的设计为平台，研究高压电路 的设计。这三款芯片均为本人硕士期间参与设计的芯片，其中s e d 9 0 0 6 s 7 使用传统的c m o s 高压 电路的列芯片，s e d 9 0 0 6 s 1 l 为使用新型c m o s 高压电路的列芯片，而s e d 9 9 0 2 s c 3 为使用新型 c m o s 高压电路的行芯片。 本课题主要内容包括：高压器件子电路宏模型的建立、新型高性能高压电路的设计、高压电路 版图的设计。目标是通过本课题的研究，减小芯片的自身功耗，提高芯片的可靠性、稳定性，降低 芯片的成本。 本课题的研究内容是国家8 6 3 计划研究课题“高压驱动电路模块”( 编号2 0 0 3 a a i z l 4 0 0 和 2 0 0 4 a a i z l 0 6 0 ) 的重要组成部分。本文所设计的精确高压器件模型、低功耗高压驱动电路及其版 图，积极地推动了该课题的完成，同时也将推动自主知识产权p d p 驱动芯片的产业化。本文设计的 高压电路结构目前已申请了一项国际专利1 3 1 和两项国家专利1 4 】【1 5 1 。 3 摇一j i * 什蚺构厦* i 试 第一章高压器件结构及测试 本文的设计在体硅l 艺上实现，田此在第一章首先介纠体砖p d p 驱动芯片川n l d m o s _ p l d m o s 结构升对它们的井态饱和电流、芙态耐压、闻值电压、寄生二极管特性进行洲试。 1 1 n l d m o s 结构及特性 1 , 1 1 n l d m o s 结构 本文所研究的n l d m o s 基本结构如蚓i1 所示，该器件基ri5 9 m 标准低kc m o si ：艺实现。 选川i 1 0 。t m 的p l “硅作为 t 底村车! i ；器什栅氰厚度为2 5 n m ；n 阱采j j 磷注入高韫退火后，形 成2 5 9 m 深、8 p m 妖的漂移匠h j 丁提高击穿电压：p 阱为硼注入高湍退火后，形成3 , 5 9 m 的油 道，一方面h 1 。谢节扦启电雎，另一方面也可以防l r 器仆穿通自| 涮i 乜。 1 1 土n l d m o s 测试 图1 1n l d m o s 纵向剖面图 器件测试是评估器件性能的重要手段同时也是r 一章建立器件干电路宏楼掣的基础。这里利 l i jh p 4 5 5 对n l d m o s 的直流特性进行分析。 幽1 - 2 给出了n l d m o s 的关态击穿特性和开态i - v 特性，n l d m o s 宽为1 0 0 l j t m 。在( a ) 中， 器件戈态击穿人下1 0 0 v ，在v 瞄= 1 c o v 时，黼电流仅为22 n a ；在( b ) 中，器f | | _ 开态丁作电乐 f - 1 0 0 v ，v c , s = 5 v 、v 斑= l 哪v 时饱和电流为6 m a 。此外，开态i v 曲线表现出负阻效席，主要 是由丁_ = 电流r n l d m o s 温度升高引起的1 “”。 东南人学硕f j 学位论文 l t e l , 0 v d s v ( a ) 关态 i d * 图1 - 2n l d m o s 电流特性 v d s ( b ) 开态 图1 3 测得n l d m o s 的阈值电压，这里定义当v d s = 0 i v 、i d s = 1 i t a 时，v g s 的值为器件阈值电 压，可以看到该n l d m o s 的v t = 1 7 5 v 。由于p d p 驱动系统的特殊工作方式8 】【。9 1 ，n l d m o s 还有 一个重要的参数，就是寄生二极管电流，图1 - 4 对其进行了测试，该寄生二极管的电流非常大，两 端电压仅为1 2 v 时电流就达到2 0 m a 。 i d a 图1 - 3n l d m o s 阈值电压 1 2 - p l d m o s 结构及特性 1 2 1 p l d m o s 结构 i d _ i o v d i 0v 图1 - 4 寄生二极管特性 本文所研究的p l d m o s 基本结构如图1 5 所示，该器件基于1 5 p m 标准低压c m o s 工艺实现。 选用l x l 0 1 y m 3 的p 型硅作为衬底材料；为了使器件的栅上能够承受高电压，栅氧厚度为3 0 0 r i m ： n 阱为磷注入，高温退火后，形成7 8 n m 的结深；p 阱采用硼注入，高温退火后，形成2 5 p r o 深、 8 p m 长的漂移区；器件沟道长度为6 p m ：器件的源端有一个p 型缓冲区，用于避免器件的不开启刚【2 1 1 5 日j i 、g 件靠剜h 1 工三p l d m o s 测试 图 一5n l d m o s 纵向剖面囝 幽i - 6 为测试得剑的p l d m o s 芙悫击穿特性和升态i - v 特性p l d m o s 宽为2 0 9 i n 。, f t ( a ) 中，器什咒态h 穿人q - 1 0 0 v ，v 眦= 1 0 0 v 时帮l “流仅为3 0 p a l 在( b ) 中器什开志i 怍i u 压 人丁1 0 0 v ，v 蕊= 1 0 0 v v = t 0 0 v 时，饱* l 电流为45 m a 。由丁电流密度捌对较低，p l d m o s 并没有表现j l l 类似n l d m o s 的明硅负m 现象。 y d s a ) 关态 囤1 6p l d m o s 电流特性 v d s v b ) 开志 幽17 测得了p l d m o s 的剧值l u 压，这里定义当v d s - - 0i v ，n i d s b lj l a 时v 僻的值为器件 鲥值电压，可咀看到该p l d m o s 的v t - - 95 v 。凹i - 8 测试了p l d m o s 的寄生一极骨电流，当一般 图1 - 7p l d m o s 阚值电压图1 - 8 寄生二极管特性 垄 多= n =萑 1 叶 、|匕 m ， s 东南大学硕l ：学位论文 管两端电压为1 6 v 时电流就达到2 0 m a 。 1 3 小结 本章介绍了n l d m o s 和p l d m o s 的结构，并使用半导体参数分析仪h p 4 1 5 5 对器件进行测试。 通过测试得出：所设计的n l d m o s 和p l d m o s 的关态击穿电压和开态工作电压都人于1 0 0 v ； n l d m o s 的阈值电压为1 7 5 v ，p l d m o s 的闽值电压为9 5 v ；寄生_ 二极管的导通电流极大。以上 结果可以满足p d p 行、列驱动芯片的应用要求。第二章将根据这些测试结果对器件建模。 7 第二章高爪器件模型 第二章高压器件模型 本章为高压器件建立子电路宏模型，并将模型用于电路的仿真，最终将仿真结果与芯片测试结 果进行比较，验证模型精度。 2 1 器件建模综述 2 1 1 高压器件模型分类 器件模型是电路设计中必不可少的元素。能够正确反映器件特性的模型，将会极大地提高电路 设计的可靠性、缩短芯片设计周期。半导体高压器件模型主要分为三种：1 物理解析模型；2 数值 分析模型；3 等效电路模型。 第一种物理解析模型是完全基于原始的物理意义的分析模型2 2 】i 矧，基本上所有的几何结构参数 都包含在模型方程中，相应的公式考虑了迁移率、饱和漂移速度、杂质浓度、载流子电离率等，能 够较精确地描述器件的静态和动态工作特性，如导通电阻、i - v 曲线、饱和态和准饱和态。其优点 就是物理原理清晰，能够对类似器件的特性具有一定的预j ! 性。 第二种数值分析模型是采用数学上数值分析的方法来拟合、逼近器件的特性。主要是通过迭代 和离散的方法来求解半导体器件的基本物理方程( 如l a p l a c e 、p o i s s o n 、c u r r e n t ) ，同时包含了边界 条件( d i r i c h l e t 、n e u m a n n ) 。该模型可以解得器件中的电势、载流子密度、电场强度和电流分布， 主要用于分析模拟器件中的一些参数，也可以用于电路仿真，但是一般速度非常慢。 第三种等效电路宏模型矧【2 5 1 是由现有的普通元件搭建而成的电路来描述器件的土要工作特性， 不需考虑器件的物理意义。所利用的普通元件在相应的电路模拟软件中都有较成熟的模型，通过改 变这些被调用的元件的参数，便可以通过电路重现高压器件的电学特性。 2 1 2 模型应用方法 在考虑需要建立什么样的模型的同时，也必须考虑到如何把建立好的模型应用到电路仿真中， 也就是将模型嵌入到相应的软件中。不同的电路模拟软件由于其内部架构和算法的差异对器件模型 的要求也是不同的，常用的此类软件如a s t e ci l l 、s a b e r 、e l d o 、e s a c a p 、p a c t e 、s p i c e ， 我们根据其对自建模型要求的不同分为两类：开放式和封闭式。不论软件的要求如何，我们关心的 是搭建的模型应用到电路之中能否再现该特殊器件的主要电气特性。开放式模拟软件如s a b e r 、 a s t e c 、e l d o 等支持将用户的方程式植入其软件之中，以供电路模拟调用到该器件时能按照 用户给出的方程和等效电路的拓扑结构来描述该特殊器件的电气特性。封闭式模拟软件如s p i c e 等 不支持将用户的方程式植入其软件之中进行计算，也不允许修改其内置的已有模型，只能利用现有 的元器件及其固有模型在电路层面上通过设计电路的拓扑结构来等效描述器件的主要特性。 8 东南大学硕j j 学位论文 但是由于s p i c e 是当前应用最为广泛的电路模拟软件，它的收敛性、精确性和速度都比较合适 电路设计，其它模拟软件的通用性一般不如s p i c e 。对于高低压兼容的芯片，芯片中除了定制设计 的特殊高压器件之外，还有常规半导体器件需要同时进行模拟，而绝人多数芯片制造商所提供的常 规器件用于电路模拟的模型参数都是支持s p i c e 的，冈此建立能够支持s p i c e 的高压器什模型是非 常必要的。同时由于s p i c e 是封闭式的，而高压器件的负阻效应、准饱和效应不能通过s p i c e 内置 模型反映，这样必须建立等效电路宏模型。 2 1 3 s p i c e 等效电路宏模型 一般，高压m o s 器件的等效电路宏模型由标准m o s 器件、电阻、电容和二极管组成，其中标 准m o s 器件较常用的是s p i c e 内置l e v e l 3 和l e v e l 4 9 模型。图2 1 为一n l d n m o s 等效电路宏模 型，该模型包括一个l e v e l 3n m o s ，漂移区等效电阻r d ，以及等效寄生电容c g d 、c c , s 和c g b 。通 过将电流测试结果拟合剑l e v e l 3n m o s 中，并计算等效电阻和等效电容得剑最终的模型。该模型能 够在电路仿真时重现n l d m o s 的电流特性，然而由于l d m o s 的漂移区电阻和寄生电容都是随着 v c a 和v d s 变化的，不是l 古i 定值，而且l e v e l 3n m o s 不能完全反映l d m o s 的沟道特性，所以该模 型的精度不高。 一【一 li c o d g i l - 一l i 且lj ：g s t n m o s 图2 - 1n l d m o s 等效电路宏模型 本章设计一种等效电路宏模型。模型主要由电流源和电容源构成，电流源和电容源都是v c , s 和 v d s 二维函数，而这些二维函数又是通过测试结果拟合得到的，所以可以得到较高的模型精度。前 面已经提到s p i c e 不是开放系统，但是可以通过子电路实现二维函数，这样高压器件模型由若干个 s p i c e 子电路组成，因此称为子电路宏模型。 2 2 n l d m o s 子电路宏模型 图2 - 2 给出了n l d m o s 的子电路宏模型，模型包括直流电流模型、寄生电容模型、寄生二极 管模型三个部分，各部分都通过s p i c e 子电路来实现。 9 第二章高爪器件模型 直流电流模型仅考虑源漏间的随栅电压变化的电流，忽略漏与衬底之间的漏电流以及栅电流， 以降低模型的复杂程度。寄生二极管模型仅考虑二极管的电流特性，对其电容则不予考虑。寄生电 容模型是整个模型最复杂的部分，也是模型的核心。为了便于建立模型，把栅漏之间的电容分为c o o 和c o t , 两部分。c t m 在v d s 变化时，有电流流过，而v o s 变化时，则没有电流流过。c o d 恰恰相反。 电容模型还包括栅与源之间寄生电容c d s 、栅与衬底之间寄生电容c o 、漏与源之间寄生电容c d s 、 以及漏与衬底之间寄生电容c d s 。由于n l d m o s 在p d p 驱动芯片中正常工作时，v g s 最大电压等 于低压电源电压，v d s 最大电压等于高压电源电压，所以与漏相连接的电容c d s 、c d g 、c d b 对电路 性能的影响，包括功耗、电路输出波形等，要比与栅相连的电容c o s 、c o t , 、c g b 大得多。 2 2 1 直流电流模型 图2 - 2n l d m o s 子电路宏模型 图2 3 为n l d m o s 直流电流子电路宏模型示意图。该模型主要由电压控电流源、电压控电压 源和电流控电流源组成。 图2 - 3 直流电流子电路宏模型示意图 图2 - 3 中i i 表示v g s = v g s i 时源漏电流，如式( 2 - 1 ) 所示。其中k l 为常系数，酶是v c a = v o 踊 时v d s 转换到i d s 的函数。 ，i = k l k 一 j - 1 , 2 j l ( 2 - 1 ) 通过己知的n l d m o s 测试结果，可以得到不同v 矗下的源漏电流。但这些电流值仅在v 略上 l o 东南大学硕十学位论文 是连续的也就仅是v o s 的一维连续函数。若要把i d s 表示成v a s 和v d s 的迮续二维函数，则需弓 入电流i r ，如式( 2 2 ) 所示。 ，月= k 2 k j + 1 ) j v 玉 i = h 2 以 ( 2 - 2 ) 该式中k 2 为常系数，i ( ( “i i 是v a s 转换到i r 的函数，当v c , s 在区间【v 嘣，v c s ( “1 ) 】上时，k ( i + i x 的值为常数，否则为0 ，在电路中起到开关的作用。 为了把v a s 和v d s 联系起来采用式( 2 - 3 ) 的算法进行运算，当i i 和i ( i + i ) 足够接近时，假设在相 同的v a s 下，i d s 随v g s 线性变化。 ，脚= ( 1 - a ) f + a i f + l 】，r i = i 其中 a ：堡二堡l ( f + 1 ) 一 将( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 4 ) 式带入( 2 3 ) 式得： ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ，脚2 喜【( 1 一瓦v g 忑$ - - j v g s i i ) k + 瓦v g i s - - j v g s i i k , ( m ) k l 】k ( i + 1 ) i k 2 ( 2 - 5 ) 即对v a s 和v o s 连续的二维函数i d s ，图2 4 对i d s 的测试与模型仿真结果进行比较。 图2 - 4 测试与模型仿真结果比较 在n l m d o s 的转移特性曲线中，当v g o 值较小时，曲线拟合不是特别好，因为在v o s 值较小 时，i 嘴与v g s 是二次方的关系，随着v o s 值不断增大，硅二氧化硅表面对载流子的影响越来越大， 开始出现速度饱和，这样i 嘴与v o s 近似为线性关系。所以当v o s - 一 幽 御 丑 集 t ( n s ) 图2 - 1 6 测试和仿真高压输出上升沿波形 幽 脚 习 每 t ( 怕) 图2 - 17测试和仿真高压输出下降沿波形 接下来对具体的高压输出波形进行比较，图2 1 6 为高压电路对负载充电时的输出波形，高压电 1 8 东南大学硕士学位论文 源电压分别取3 0 v 、6 0 v 、9 0 v ，可以看到，子电路宏模型的仿真结果与示波器测试结果基本重合， 而l e v e l 3 模型的仿真结果与测试波形差异较大。图2 - 1 7 为高压电路对负载放电时的输出波形，高 压电源电压分别取3 0 v 、6 0 v 、9 0 v ，在放电的过程中，两个模型的仿真结果与测试值都基本重合。 l e v e l 3 模型上升沿存在较大误差，主要是由于p l d m o s 模型不精确引起的，因为p l d m o s 的 v g s 要_ t 作在几十伏到上百伏的压差下，此时器件受准饱和等高场效应影响使得s p i c e 内部模型很 难反映其电流特性。此外由于n l d m o s 模型输出电容不够精确，也会影响高压输出上升沿。 在使用示波器测试s e d 9 0 0 6 s 1 1 高压输出波形时，不可避免的要受到芯片封装、p c b 板寄生效 应以及测试环境的影响，这使波形存在微小的波动，波形上升时间、下降时间也会在几个i r i s 的时间 范围内波动。综合上面的分析，所建立的n l d m o s 和p l d m o s 子电路宏模型在用于电路仿真时， 精度比较高，可以达到9 5 以上。 2 6 小结 由于p d p 驱动芯片用的n l d m o s 和p l d m o s 从工艺到结构都是自主开发，没有现成的模型 可用于电路仿真，因此必须设计高压器件模型。器件模型的种类很多，从设计的复杂程度、精度、 软件兼容性等综合考虑，最终选择子电路宏模型。本章提出一种创新方法，能够将l