（电力电子与电力传动专业论文）基于cd工艺的变换器芯片的分析与设计.pdf

s u b j e c t ：a n a l y s i s a n d1 ) e s i g ro fac o n v e r t e rc h i pb a s e do i i ic i op r o c e s s $ o e e i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s p o w e rd r i v e n a m e ：w a l l gz l a o n g - f a n g h l s t r u e t o r ：l i u $ 1 a n 1 i n a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h em i d i t i o n a ll i n e a rp o w e rs u p p l y , m o n o l i t l a i es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y h a st h ea d v a n t a g eo f 割血a l lv o l u m e 1 i g h tw e i g h ta n dh i g he f f i c i e n c ya n di sr e p u t e da se f f e c t i v e a n dg r e e np o w e rs u p p l y i nr e c e n tt w e n t yy e a r s , m o n o l i t h i cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a s c l e v e l o p e c li nt w od i l e c t i o l l s ) o n ei st oi n t e g r a t et h ec o n t r o lm o d u l e w h i e l ai st h em a i np a r to f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , a n dt h eo t l l 髓i st oi n t e 删et h em i d d l ea n dl o wp o w e rs w i t c h i n g p o w e rs u p p l y i no r d e rt oi n t e g r a t ec o n t r o la n dm o d u l a t i o nc i r c u i t , p r o t e c t i o nc i r c u i t , d r i v ec i r c u i ta n d p o w e rt r a n s i s t o r , c dp r o c e s sb a s e do nc m o sp r o c e s si ss t u d i e da n dc h o s e n , w h i c h 啪 f i l b r i e a t eb i p o l a rm m s i s t o r , c m o $ t r a n s i s t o ra n dd m o sp o w e rt r a n s i s t o ri nt h es a m ed i e , a n d t h i sp r o c e s si sc h a r a c t e r i s t i co fl o wp o w e rd i s s i p a t i o n , h i g hi n t e g r a t i o na n ds t r o n gd r i v e i n o r d e rt or e a l i z ep r o c e s sc o m p a t i b i l i t y , pw e l li sm a d eo i lt h ep + b u r yt of o r mi nj u n c t i o n i s o l a t i o n , w h i c hn o to n l yc u t sd o w nt h ec o s t , b u ta l s ol n i n i f i e st h ed i ea 帆 a c c o r d i n gt op u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e e l m i q u eo fc u r r e n tm o d e , am o n o l i t l a i ed c d c c o n v c r t e l i cb a s e d0 1 1c dp r o c e s si ss t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i s 群i p e r w h i e l ai si n t e g r a t e d w i t hm a n yf u n c t i o nm o d u l e s , s u c ha s b a n d - g a pr e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i t , b i a sc i r c u i t , s a w - t o o t ho s c i l l a t o r , b o o t s a pd r i v ec i r c u i t , o v e r - t h e r m a lp r o t e c t i o nc i r c u i t , u n d e rv o l t a g e l o c k o u tc i r c u i t , c u r r e n ts e n s i n gc i r c u i ta n do v e l r - c u i l e l l tp r o t e c t i o ne i r e u i t ，e t e a nt h e s ec i r c u i t s t r u c t u r e sa n do p e r a t i o np r i n c i p l e sa l - es i m u l a t e da n dv e r i f i e d t h i se l a i pf e a t u r e si t su n i q u e 心e q 删c o n v e r s i o np r o t e c t i o n , w h i c h 咖r e d u c ed u t yc y c l ea n do p e r a t i o nf r e q u e n c rf l o 越 t og u a r a n t e et h es a f e t yo f t h ep o w e rs u p p l yw h e no u t p u ti ss h o r t - c i r c u i t e d w h e nt h ee np i n i sl o wv o l t a g e t h ec h i po p e r l l t e si ns h u t d o w nm o d ea n di t ss 洲cc u r r e n ta n dp o w e r d i s s i p a t i o ni sl o w , i ti se a s yt or e a l i z er e m o t ea n dt i m i n gc o n t r 0 1 t h i sc h i pc 龇c o n s t i t u t ea b u c kd c d cc o n v e r t e rw i t ham i n i m u ml i m b e ro fe x t e r n a lc o m p o n e n t s ；t h u s i t nb e w i d e l yu s e d i nd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t 脚l s , b a t t e r yc h a r g 粥a n dp r e - r e g u l a t o r sf o rl i n e a r 髓霉l l ；i t o 培 t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fd e s i g nm e t h o da n dt h e o r ya n a l y s i s 眦p r o v e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ec h i p sa p p l i c a t i o nc i r c u i tw i t hh s p i c eo f f e r e db ye d at o o l s o nt h e b a s i so fc i r c u i t so fe a c hf u n c t i o nm o d u l e , l a y o u to ft h ei ci sc o m p l e t e da c c o r d i n gt oe p i s i l o s u mp r o c e s sd e s i g nr u l e s , d r ca n dl v sd o c u m e n t sa 坤c o m p n e dt oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f t h el a y o u t t h em o n o l i t h i cd c d cc v a 巾西i cb a s e do nc d p r o c e s si nt h ep a p e rc 锄r e a l i z e t h et a r g e ta 【p e c o e d k e y w o r d s ：c d p r o c e s s d c d cc o n v e r t e rp w m i c l a y o u t 要拜技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：b 监笏日期：川算印a w a 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：锄织缈 谛月加 乡 憋 1 绪论 1 1 本课题研究背景及意义 l 绪论 电源是电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的工作质量。 因此，电源越来越受到人们的重视【1 1 1 2 1 。电源，如今已是非常重要的基础科技和产业， 从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持 3 1 。 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合功率变换技术、现代电子技术、自动控 制技术的多学科边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材 料科学、电机工程、微电子技术、计算机科学等许多领域密切相关。目前电源技术已逐 步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它对现代通讯、电子仪器、计算机、 工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起 着关键作用。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数 的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是 能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此， 电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术发展的基础。电源技术 及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重 要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响p l 。 电源技术的发展已经历了多次变革，从本质上来讲电源技术的变革也就是功率变换 技术的变革。功率变换技术的变革经历了从发电机组到半导体功率器件的应用；半导体 功率器件的应用又经历了从不问断工作模式到间断工作模式一开关状态。功率变换元件 工作在开关状态的电源，称为开关电源。按照目前的习惯，开关电源是专指电力电子器 件工作在高频开关状态下的直流电源1 4 j 。 传统的电源一般是由变压器、整流电路、滤波电路和串联线性稳压电路组成嘲。这 种电源由于采用工频( 5 0 h z ) 铁芯变压器，其体积和重量都相当大。由于采用串联线性 稳压电路，其调整管工作于放大状态，即不问断工作模式，电源的效率很低，一般为 3 5 - 6 0 ，因而它适用于压差变化不大的降压场合，压差稍大就会显露出效率低的弊病， 造成功率的浪费，并可能因芯片发热对系统稳定性产生不良影响。而开关电源取消了铁 芯变压器，代之以体积小，重量轻的铁氧体磁芯变压器。电路中的功率晶体管工作于开 关状态，即间断工作模式，因而效率大大提高，可达7 0 - 9 5 。由于开关频率很高( 几 十几百k h z ) ，滤波电路也简单得多，这就进一步减小了电源的体积和重量 6 r r l 。另外， 开关电源的输出对输入电压的要求不高，可做成宽输入电压的世界通用电源。所以说开 关电源对低档的线性电源特别是2 0 w 以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。 西安科技大学硕士学位论文 但是，传统的开关电源除了p w m 和功率m o s f e t 之外还包括大约4 0 $ 0 个分立元件， 增加了成本、体积，主要缺点是集成度低、外围电路复杂、输出纹波较大，使可靠性受 到了影响。然而随着微电子技术的迅猛发展、生产工艺技术的成熟以及i c 产业的发展， 目前一些半导体厂家纷纷推出高性能的开关电源控制器，推动了开关电源的普及应用 8 1 。 这些开关电源控制器具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成 高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点，一经问世便显示出强大的生命力，目前 已成为国际上开发2 9 0 w 以下中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及模 块开关电源的优选集成电路，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。 单片开关电源芯片是在功率变换技术和电源管理产业出现的重大技术突破，它将电 源的控制调节电路、保护电路，驱动电路及功率开关管制作在同一芯片上，只需外接少 许元件就可构成一理想的电能供应器唧。单片开关电源被誉为高效节能电源，它代表着 稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近2 0 多年来，单片开关电源沿 着两个方向不断发展。第一个发展方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成 化。第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化儿l 哪。 单片开关电源的发展是随着集成电路工艺的发展而发展的，也先后经历了双极、 c m o s 、b c d 等工艺。传统的双极工艺虽然具有高速、电流驱动能力强等优点，但其功 耗和集成度却不能适应现代大规模集成电路的发展需要。而一直作为硅锗集成电路主要 技术平台的c m o s 器件及其电路虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双 极电路无法比拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却无能为力。可见无论是单一的双 极技术，还是单一的c m o s 技术都无法满足大规模集成电路系统多方面性能的要求 随着单片开关电源对中小功率开关电源的单片集成的需求，能够同时制作双极器件、 c m o s 器件和功率器件的b c d 工艺得到了长足的发展，该工艺综合了双极型器件高跨 导、强负载驱动能力，c m o s 器件高集成度、低功耗和功率器件大功率输出等特点，使 其互相取长补短，发挥各自的优点，为功率集成电路的发展开辟了一条新的道路l l “。 由于小型个性化和便携式电子产品日新月异的发展，市场上迫切需要高效、可靠、 功能强大、外围元件少、体积小及重量轻的电源。利用传统芯片或电路构成的电源体积 大、效率低、电路复杂且成本高，难以满足小型化电子产品的要求陬1 4 1 。而且大多数电 源控制芯片或现有的单片电源芯片均采用恒频控制技术，尽管芯片内部集成有过流保护 功能，但当过载或短路时仍有很大的电流输出，甚至会出现电流失控等，导致芯片的损 耗相当大，最终影响芯片或用户系统的安全可靠工作。 本论文针对目前电子设备对电源轻、薄、小和高效率的要求而设计了一款单片 d c d c 变换器芯片。该芯片将尝试使用以c m o s 工艺为基础的c d 工艺，在同一硅片 上同时制作双极器件、c m o s 器件和d m o s 功率器件。该芯片最大特点是具有变频保 护功能：正常工作时工作频率恒定，输出过载或短路时不仅工作频率急剧降低而且占空 2 1 绪论 比也变小，保证了用户系统的安全。当使能端的电压为低电平时，芯片处于关断状态， 静态电流及静态功耗很小。通过对使能端的控制可方便地实现变换器芯片的遥控、定时、 延时和开关控制等功能。当芯片工作温度过高时，芯片的过热保护电路将关断功率开关 管，确保芯片安全可靠工作。该芯片只需外接少数元件就可构成一高性能的b u c k d c d c 开关电源，其体积小、输出电压精度高、变换纹波系数低且具有过热、短路保 护等功能l l 川。同时该芯片可广泛应用于分布式电源系统、电池充电器、线性调节器的 前级调节等。 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 被誉为高效节能电源的单片开关电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压 电源的主流产品。国外许多著名的i c 厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源 集成电路。经过近二十年的发展，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品【。 1 9 7 7 年，国外首先研制成功p w m 控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用及 尤尼特德等相继推出一批p w m 芯片，其典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 和u c 3 8 4 2 。之 后，在此基础上，国外又研制出开关频率达i m h z 的高速p w m 、p f m 芯片，典型产品 有u c l 8 2 5 和u c l 8 6 4 。 2 0 世纪8 0 年代初，意法半导体有限公司率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器， 9 0 年代初该公司又推出了l 4 9 7 0 a 系列产品，包括l 4 9 7 0 a l 4 9 7 7 a ，在1 9 9 8 年该公司 还研制出i a 9 7 8 型单片开关式稳压器。其共同特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护 电路等集成在一个芯片中，但使用时需配工频变压器与电网隔离，适合制作低压可调输 出( 5 1 4 0 v ) 、大中功率( 4 0 0 w 以下) 、大电流( 1 5 1 0 a ) 、高效率( 电源效率可超过 9 0 ) 的开关电源。但从本质上讲，它们属于d c 仍c 电源变换器。 1 9 9 4 年，美国电源集成公司在世界上率先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关 电源，它属于a c d c 电源变换器。其第一代产品为1 9 9 4 年问世的t o p s 、 礼c h 系列，第 二代产品是1 9 9 7 年问世的t o p s w i t c h - i i 系列，第三代和第四代产品是2 0 0 0 年1 月和 1 1 月相继推出的t o p s 诵自c h f ) 【、t o p s w i t c h - g x 系列单片开关电源。该公司还于1 9 9 8 年、2 0 0 1 年分别开发出高效、小功率、低价位的t m y s w i t c h 系列、 f m y s w i t c h - 系列 微型单片开关电源。2 0 0 0 年研制的t ( ) p s w i t c h - f x 系列五端单片开关电源集成电路采用 了“跳过周期”技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比 ( d m i a = 1 5 ) 之下所提供的输出功率仍然超过负载上的功耗，t o p s 证埘1 f x 就采用跳 过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为 先将占空比固定在1 5 ( 或更低值) 上，然后用脉冲频率调制( p f m ) 方式调节轻载 时的u b 值。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动 转换，而无须其他控制。如不需要跳过周期，可在电源输出端接上最小负载r 工。血，使 西安科技大学硕士学位论文 d d n = 1 5 。采用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率，还能减小噪声电压。2 0 0 1 年推出的t m y s w i t c h - l i 系列第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作 2 3 w 以下的低成本微型化开关电源。该系列芯片采用了“频率抖动”技术，以降低由开关 频率高次谐波所造成的电磁干扰。该技术将开关频率限制在很窄的波段内抖动，由于开 关频率是在1 3 2 k h z 附近不断变化的，它与1 3 2 k h z 固定频率的高次谐波干扰之间没有 相关性，因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声。 美国摩托罗拉公司于1 9 9 9 年推出了m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，也称为高压 功率开关调节器。m c 3 3 3 7 0 系列包括m c 3 3 3 6 0 m c 3 3 3 7 4 等6 种规格、1 7 种型号。 m c 3 3 3 7 0 系列可广泛应用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通讯设备及消费类电子 产品中，构成高压隔离式a c d c 电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器 的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管、m o s 管来进行 串联调整。此外，利用这种芯片还能制作高压步迸电源。 荷兰飞利浦公司于2 0 0 0 年研制成功t e a l 5 1 0 、t e a l 5 2 0 系列单片开关电源，它属 于反激式开关电源，其中，t e a l 5 2 4 的最大输出功率为5 0 w 。该公司还开发出t e a l 5 0 1 、 认1 5 0 4 、m 1 5 6 2 、t e a l 5 6 3 、a 1 5 “、a 1 5 6 5 、h a 1 5 6 6 、n 狐1 5 6 9 等型号的 单片开关电源，最大输出功率可达1 2 5 w 。由于上述产品采用了先进的节能技术和制作 工艺，因此被誉为“绿色芯片”，该系列产品采用飞利浦公司专用的高压e z - h v 和低压 b i - c m o s 集成工艺，适合设计5 0 w 以下的小功率、小型化、低成本开关电源。其“绿色 节能”特性突出表现在以下几个方面：在空载时的待机功耗极低，小于l o o m w ：内 部设计了一个“谷值开关”电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗 降至最低；在低功耗输出时能自动降低开关频率，使芯片工作在低频模式下，从而减 小了芯片功耗。 美国安森美半导体公司在1 9 9 8 2 0 0 1 期间，也相继开发出n c p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系 列单片开关电源。其最大输出功率为4 0 w ，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电 池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。此外，该公司最近还研制成功 n c p l 2 0 0 型单片开关电源。 日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件 和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路，生产加工实现了自动化，从而提 高了可靠度，降低了成本，产品真正做到了轻、小，薄1 1 5 1 。 2 0 世纪9 0 年代以来是我国电力电子技术和电源产业快速发展的时期。据统计，9 0 年代初期我国器件和装置的年产值也不过2 0 亿元左右。然而，2 0 0 1 年基于场控器件的 开关电源产品的年产，仅原华为电气一个公司就达到2 6 亿元，其他年产值超亿元的公 司有：武汉洲际、中兴通讯、北京动力源、北京通力环、烟台东方玉麟电子有限公司等。 p c 机开关电源、u p s 和逆变焊机公司也有了年产值达亿元以上的业绩。通用变频器的 l 绪论 年产值接近l 亿元，近十年电源产业规模的发展在加快。同时产业界也涌现一些技术难 题较大、具有国际先进水平的产品，如：“多谐振双环控制的通信开关电源”、“单芯片 控制的5 0 0 w 以下p f c 控制器”、“智能化高频开关电源”、“用于空调和冰箱的无位置传 感器的变频调速器部件”和“数千瓦的i g b t 中压变频器”等。然而，同国产手机、d v d 机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片技术的尴尬。国内电源整机厂家所 用的电源芯片均由国外公司提供。这些芯片厂商普遍能够提供令国内厂家满意的电源芯 片，但是，由于没有国内厂家参与竞价，他们的报价几乎都在其成本的四倍左右。这样， 不但使电源整机的成本居高不下，大部分利润被国外厂商剥夺，而且技术上受制于人， 很难实现大的突破。所以，开发具有自主知识产权的电源芯片已是形势所迫。目前我国 主要还是处于应用和参考国外的先进单片开关电源芯片结构，结合我们多年应用相关芯 片的研究和已有类似芯片的设计经验，进行一些产品的仿制阶段【1 6 】【”j 。 由于集成电路最早采用的工艺是双极工艺，所以早期的单片开关电源芯片主要是基 于双极工艺的，如s g l 5 2 4 2 5 2 4 ，3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 等，这些芯片集成度低，控制功能相对 不是很完善，特别是功耗较大，s g l 5 2 4 2 5 2 4 3 5 2 4 的内部功耗甚至高达l 谢，严重影 响了电源效率。随着c m o s3 - 艺的发展和c m o s 模拟电路设计技术的不断进步，其低 成本、低功耗和高集成度的优点受到越来越多的重视，并且该技术也被广泛的应用于单 片开关电源的制作，如美国p i 公司的t o p s w i t c h - l i 、t o p s w i t c h - f x 和t o p s w i t c h - g x 系列产品，其集成度大大提高，控制功能也逐渐完善，功耗更是大大降低。荷兰飞利浦 公司于2 0 0 0 2 0 0 4 年期间研制开发的“绿色芯片”t e a l 5 1 0 、t e a l 5 2 0 、t e a l 5 3 0 、 t e a l 6 2 0 等系列产品更是采用了先进的低压b i c m o s 工艺，将模拟、数字电路集成在 一个芯片上【i 】o 随着对中、小功率开关电源实现单片集成化方向的发展，能够同时制作 双极器件，m o s 器件和功率器件的b c d 工艺得到了长足的发展，该工艺综合了双极型 器件高跨导、强负载驱动能力，c m o s 器件高集成度、低功耗和功率器件大功率输出等 特点，为功率集成电路的发展开辟了一条新的道路【l l 1 2 1 。由于d m o s 和硅栅c m o s 兼 容，并且具有高效率，高强度、高耐压和高速的开关特性，因此，基于c m o s 工艺的 能够同时制作双极器件、c m o s 器件和d m o s 器件的c d 工艺也将是对功率集成电路 制作技术的研究和探索。 1 3 功率集成电路的发展历程及其发展趋势 功率集成电路( p i c ) 是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护 电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。以往，一般将其分为智能功率集成 电路( s p i c ) 和高压集成电路( i c ) 两类。但随着p i c 的不断发展，两者在工作电 压和器件结构上都难以严格区分，习惯上将它们统称为智能功率集成电路或功率i c 【嘲 p i c 出现于上世纪7 0 年代后期，当时人们提出将功率器件与集成电路单片集成为 西安科技大学硕士学位论文 功率集成电路。由于单芯片集成，减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高 了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积，重量和成本。但由于当时的 功率器件主要为双极型器件，它们所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，p i c 的研 究并未取得实质性进展，直至年代，由m o s 栅控制，具有高输入阻抗、低驱动功耗、 容易保护等特点的新型m o s 类功率器件如功率m o s f e t 、i g b t 等的出现，才迅速带 动了p i c 的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了h c 的应用。进入9 0 年 代后，p i c 的设计与工艺水平不断提高，性能价格比不断改进，p i c 逐步进入实用阶段 迄今已有系列p i c 产品问世，包括功率m o s 智能开关，电源管理电路、半桥或全桥逆 变器、电机驱动器、p w m 专用s p i c 、集成稳压器等。一些著名国际公司在功率集成技 术领域处于领先地位，如美国国家半导体、摩托罗拉、意法半导体、安森美、p o w e r x n t e g r a t i o n 、h a r r i s 、i n t e r s i l 、瓜、1 1 等，它们己将功率集成电路产品系列化、标准化u 9 】刚。 虽然国际上迄今已有系列单片功率集成电路产品问世，功率电子学在新型功率半导 体器件的推动下也得到迅速发展，但却鲜见片上功率电子学的研究。最近，电子科技大 学结合s o c 和智能功率集成电路的发展，提出p s o c ( p o w e rs y s t e mo nc h i p ) 的概念，并 开展了p s o c 电路新的调制、控制理论和p s o c 功率器件集成基础理论和集成技术等 p s o c 基础理论研究，在国际上首次建立了跨周期p s m 控制理论，提出了极限电流模糊 控制模式，并开展了跨周期调制下的频率抖动技术研究。 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 集成工艺技术是下一代硅集成技术的主流技术之一，同时 在硅功率半导体技术中也有广阔的应用前景【2 l 】圈。2 0 0 1 年，英国c a m b r i d g e 大学的u d r e a 教授等人采用3 d r e s u r f 技术，在4 t t m 的绝缘层上模拟得到6 0 0 v 的s o l 器件耐压【2 i j 。 2 0 0 2 年，加拿大t o r o n t o 大学的s a l a m a 教授小组也采用s u p e r j u n c t i o n 技术在s o l 上设 计了0 5 a 、1 5 0 v 横向功率m o s f e t 。2 0 0 1 年，瑞典u p p s a l a 大学的h e i n l e 和o l s s o n 等人在厚硅层s 0 1 上通过深槽技术实现了高低压器件直接完全介质隔离，研制出了耐压 为4 2 0 v 和6 0 0 v 的s o l 晶体管。2 0 0 2 年r h i l i p s 公司利用a - b c d 3 工艺，在0 6 岬1 的硅 层上实现了1 8 0 v 的s o i u ) m o s 。国内电子科技大学在北京大学和中电集团第2 4 研究 所的协助下，初步研制出耐压为1 0 0 0 v 的s o l 基横向功率m o s 型器件和s o l 基s p i c 。 近期电子科技大学又在国际上率先提出槽形埋层二氧化硅结构等新技术，有效地提高了 s o i 器件的耐压 2 3 1 1 4 6 | 。 p i c 总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前p i c 的主要研究内容为：开发高成品率、低成本工艺且兼容于c m o s 和b i c m o s 的研究； 针对包括多个大功率器件的单片p i c 的研究；能在高温下工作并具有较好坚固性的p i c 的研究；大电流高速m o s 控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。p i c 的下一个 目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功能， 进而实现单片式功率系统的集成。 6 i 绪论 1 4 本论文的主要工作及预期目标 本论文的主要工作就是针对控制系统电路及功率输出部分，设计一款高效率、高性 能及高可靠性的单片d c d c 变换器芯片。首先，在现有集成电路工艺的基础上，根据 片子的性能要求，设计与c m o s 工艺兼容的c d 工艺；其次，根据电流模式的p w m 控 制技术，设计d c d c 变换器芯片的系统结构，并重点对变换器芯片的各功能模块电路 进行分析设计与仿真验证，确保其性能良好；再次，对变换器芯片整体应用电路进行分 析与仿真验证；最后，对芯片电路进行版图设计、版图绘制、d r c 和l v s 文件的编写 及物理检查。本论文中对该d c d c 变换器芯片的预期设计目标如下： ( 1 ) 输入电压范围：4 8 2 5 v ； ( 2 ) 输出电压范围：1 2 2 , , - 2 l v ； ( 3 ) 最大工作电流可达2 a ： ( 4 ) 采用电流模式的p w m 控制方式； ( 5 ) 正常工作频率为3 8 0 k h z ，故障时频率为9 0 k h z t ( 6 ) 具有变频保护和频率同步输入功能； ( 7 ) 具有过热保护及用户可自行选择的欠压保护功能； ( 8 ) 逐周期电流检测功能； ( 9 ) 在关断状态时，静态电流小于3 0 a ； ( 1 0 ) 信号输出的最大占空比是9 0 0 , 6 ，最小占空比为0 7 西安科技大学硕士学位论文 2 芯片采用工艺及流程设计 2 1 芯片采用工艺的提出 从电路设计到芯片实现离不开集成电路的工艺，集成电路工艺就是将导体、半导体 和绝缘体有目的地结合起来，将二极管、三极管和m o s 管等有源器件以及电阻、电容 和电感等无源器件连接在一起，构成特定功能的电路和系统1 2 4 1 。 2 1 1 集成电路工艺及存在问题 集成电路制造所采用的两种基本工艺为双极型和c m o s 型，后来为了兼顾速度和 功耗，又发展出两种工艺相结合的b i c m o s 工艺。 用双极工艺可以制造出速度快、驱动能力强、模拟精度高的器件，但双极型器件在 功耗和集成度方面无法满足规模越来越大的系统集成的要求；而c m o st 艺可以制造 出功耗低、集成度高和抗干扰能力强的c m o s 器件，其缺点是速度低、驱动能力差， 在既要求高集成度又要求高速的领域内也无能为力。b i c m o s 工艺则把双极型器件和 c m o s 器件同时制作在同一个芯片上，这样就综合了双极型器件高跨导、强负载驱动能 力和c m o s 器件高集成度、低功耗的特点，使其互相取长补短，发挥各自的优点，给 高速、高集成度、高性能的大规模集成电路的发展开辟了一条新的道路t 2 4 1 尽管如此，随着现代集成电路，特别是功率集成电路对功耗和集成度的要求越来越 高，双极型工艺功耗大、集成度低的缺点就显得越来越突出。同时，随着集成电路制造 工艺技术的进步，特征尺寸越来越小，双极型器件又不像m o s 器件那样能很容易的按 比例缩小而降低制造成本，因而c m o s 技术已经成为现代集成电路的主流技术瞄j 。 2 1 2c d 工艺的提出 在我们所设计的电路中，既有基准电压源、振荡器、误差放大器、温度保护电路、 电流检测电路以及逻辑控制电路等低压控制电路，又有高压大电流的功率输出电路，这 就给现有的集成电路工艺提出了新的挑战一即如何将低压的控制电路和高压大电流的 功率输出电路集成在一起。 微电子技术和功率电子技术的迅速发展为功率集成电路的发展提供了可能，即在同 一芯片上集成低压的控制电路和高压大电流的功率输出电路，并实现智能化【l n 1 12 j 。 在我们所设计的低压控制电路，可以采取由全m o s 器件组成的功能模块，以实现 低功耗和高集成度，但由于全m o s 组成的模拟电路在速度和抗干扰能力等方面远不如 双极器件组成的好，所以对于模拟精度和要求较高的诸如基准电压源、温度保护电路等， l 2 芯片采用工艺及流程设计 我们采用双极型器件，以便提供稳定的内部基准电压和利用双极型器件的温度特性实现 保护功能；而对于比较器、振荡器等驱动能力不是很高的电路，为提高集成度并降低功 耗，我们采用m 0 s 器件。 我们所设计的芯片中还包括输出电流为2 a 的功率管，它也是设计的关键，因为功 率集成电路往往要求输出管的耐压高，能输出足够大的电流。功率集成电路中常用的功 率器件分为双极型功率器件和d m o s 功率器件，而双极型大功率管在大电流工作时常 常会出现一些问题：大注入效应，即当功率管的工作电流大到某一值时，随着工作电 流的继续增大，其电流增益将随之下降；发射极的电流集边效应，即当发射极电流较 大时，电流主要集中在发射结边缘部分，越靠近中间电流密度越小。由于发射极电流的 集边效应、衬底材料的不均匀性或外延、扩散等工艺的不均匀性等原因，电流可能在结 区的某些地方集中，造成这些区域过热，过高的温度又促使该区的电流进一步增加，如 此反复循环，造成了该处的热击穿或电热击穿。二次击穿，为了保证输出功率管工作 在安全工作区，通常在输出功率管的发射极串联一个镇流电阻，利用镇流电阻的负反馈 作用来降低电流局部集中的程度，但这又使得输出功率部分的版图占用较大的面积 2 6 1 。 由于d m o s 器件具有高输入阻抗、电压控制、驱动功率小、多子器件、没有存储效应、 开关特性好、速度高、负的温度特性、不易产生热击穿、易于单元并联实现大的电流容 量等特点，因此，所设计芯片中的功率器件选用d m o s 器件。 所以在我们所设计的芯片中，既包括低压的双极型和c m o s 器件，又包括高压大 电流的功率器件，基于成本和功耗的考虑，我们采用以c m o s 为基础的c d 工艺。 在这种工艺中，若以p 阱为n p n 管的基极，以n + 为n p n 管的发射极和集电极， 虽说没有添加工艺步骤，但这种结构的晶体管具有如下缺点：由于n p n 晶体管的基 区在p 阱中，所以基区的厚度太大，使得电流增益变小；集电极的串联电阻很大，影 响器件性能。若采用以n 阱中添加基区掺杂的工艺步骤，则可以形成较薄的基区，提高 电流增益，但这种结构的集电极串联电阻还是太大，因此我们为了在该工艺中制造n p n 管，我们增加了基区掺杂步骤，并保留了双极工艺中b i + 的隐埋层，而不是在n 阱中掺 杂，这样可以减小集电极串联电阻，并且掺杂步骤还可以用于d m o s 管源端的首次扩 散，为了进一步减小集电极串联电阻还可以采用深磷扩散层( 璜q ，图2 1 虚线所示) 。 为了保证双极型器件较高的耐压值，在n + 埋层上进行了n - 外延，同时该层还可以使 c m o s 器件的抗闩锁性能大大提高。该工艺中n p n 双极型晶体管的结构如图2 i 所示。 该工艺的部分参数为：集电区掺杂浓度为5 3 4 1 0 ”f l t o m c n l 3 ，基区宽度0 4 p m ，发 射区结深0 3 t t m ，基区方阻值为1 9 3 0 q ，发射区方阻值为3 6 5 q ，基区中少子扩散长度 为3 5 t t m ，发射区中少子扩散长度为2 p m ，则根据晶体管原理可知 9 西安科技大学硕士学位论文 肛盘2 甭而j 矿棚 几工。2 玩 1 9 3 0 x 2 。2 x 3 5 2 由于集电区掺杂浓度d 远远小于基区掺杂浓度m ，且e , ：, - 尸3 x 1 0 s v e m ，则有 口= 帮毛* 赢砚= 夏丽嚣美去丽x 9 灯o l s s v 所以 曰。辈：磐。1 8 v 副声 v 9 7 该工艺制作的双极型晶体管的典型参数如表2 1 所示。 图2 1 双极型晶体管剖面图 表2 1 双极型晶体管性能参数对照表 由表2 1 可知，具有深磷扩散( d n ) 层的双极型晶体管的集电极体电阻比没有深磷 扩散层的要小，但引入了深磷扩散层增加了工序，且该芯片中的驱动电路是由d m o s 组成的，故为了减少成本，不采用深磷扩散( d n ) 层。 要实际地做出质量可靠、性能优异的变换器芯片关键是如何实现工艺兼容，其重点 就在于如何将高压的功率d m o s 器件与低压的双极型和c m o s 电路很好地兼容起来， 一方面要考虑高压功率器件和低压双极型和c m o s 器件之间的隔离问题要使用适宜 1 0 2 芯片采用工艺及流程设计 的隔离方法保证与集成电路工艺的兼容，才能使得功率集成电路成本下降；另一方面， 功率器件除了要考虑高压和大电流外，还必须采用器件电极都在表面的结构。 2 2c d 工艺中的隔离问题 要实现高低压兼容，就必须解决这两类器件之间的隔离问题。通常所采用的隔离方 法有三种：p n 结隔离，白隔离和介质隔离i l 习。 1 p n 结隔离 p n 结隔离是双极型集成电路中最早也是最常用的隔离技术，现在多数的功率集成 电路也采用这种隔离技术。所谓p n 结隔离就是以轻掺杂p 型硅上外延n 型薄层作为衬 底材料，然后在外延层上进行局部的高浓度p 型杂质深层扩散，直到将外延层扩穿，形 成一个个孤立的硅岛，隔离墙和衬底底部与外延层之间的p n 结在反偏下具有很高的电 阻，因而能起到隔离作用，从而在硅岛内制作高压器件。对于导通能力要求较高的纵向 型d m o s 和n p n 器件，为了在表面引出电极，需要在p 型衬底上预置n + 掩埋层作为 漏极和集电极，然后通过深磷扩散将其引出表面。 纵向型器件的耐压能力与外延层的浓度和厚度有关。要提高耐压就不得不增加外延 层厚度，这就给p + 隔离墙和深磷扩散带来了难度，此时，可采用上下对通扩散，以便 缩短扩散时间。但这种p n 结隔离对提高应用工作电压受到限制，通常隔离墙的耐压只 能达到1 5 0 v 左右，而纵向高压器件受外延层限制只能达到1 0 0 v 左右。横向高压m o $ 器件因其漏极在中间，耐压是依赖于漏漂移区浓度、深度和长度以及衬底浓度，用漏与 衬底之间形成的p