（微电子学与固体电子学专业论文）一种soi高压驱动控制电路设计.pdf

摘要 摘要 智能功率集成电路t f 朝着系统集成的方向发展。当前的智能功率集成电路一 般都具有欠压检测和过流检测等功能，在系统出现异常时电路会自动停止工作直 到故障排除后才恢复正常工作，从而保护系统。随着技术的进步，可以预期在不 远的将来，智能功率集成电路会和其它电路集成在一起，构成p s o c ( p o w e rs y s t e m o nc h i p ) 。 s o i ( s ni c o no ni n s u l a t o r ) 技术被誉为“2 1 世纪的硅集成电路技术”。它 具有器件隔离性能好、器件间的寄生效应小、电路工作速度高、抗辐射能力强和 集成度高等优点。因此基于s o i 的高压智能功率集成电路已经成为功率集成电路 研究的新领域。 论文设计实现了一种基于s o i 的高压驱动电路，其性能指标为：耐压6 0 0 v ， 工作频率1 5 0 k h z ，最大输出电流1 a 。主要工作是设计驱动电路的控制部分，包括： 欠压检测电路、过流检测电路、出错信号产生电路和错误信号清零电路。所设计 的电路具有欠压和过流保护功能。 此外，论文还设计了两种驱动信号产生电路，一种基于v c o ，另一种基于振 荡器和分频器，并对比了两者的优缺点；给出了一种死区时删可变的电路实现方 案，使所设计的驱动电路使用时具有更大的灵活性。这些工作将为下一步研究打 下一定基础，有助于p s o c 的实现。 测试表明所设计的芯片基本达到设计要求。该s o i 高压功率集成电路芯片的 实现，为进一步实现实用化的s o i 高压驱动电路提供了有力的实验验证。 关键词：s o i ，高压驱动电路，控制电路，版图 a b s t r a c t a b s t r a c t s m 铷盹p o w e ri n t e 铲a t e dc i r c u i t ( s p i c ) i s d e v e l o p i n g t o w a r d s s y s t e m a t i c i n t e g r a t i o n t h e c u r r e n ts p i ch a st h ef l m c t i o n so fu n d e r - v o l t a g ea n do v e 卜c u r r e n t c h e c k i n g ，w h i c hc a np m t e c tm es y s t e mb ya u t o m a t i c a l l ys t o pw o r k i n g 、油e nt h es y s t e m i si nt r o u b l eu n t i lt l et r o u b i ei se l i m i n a t e d w i t ht 1 1 ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，i tc a n b ee x p e c t e dt h a ts p i cw o u l db ei n 把g r a t e dw “ho t h e rc i r c u i t si r n op o w e rs y s t e mo n c h i p ( p s o c ) i nm ef u t u r e s i l i c o no ni n s u l a t o r ( s o i ) i sc a l l e d “t h es i l i c o ni n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yo ft h e 2 l t l lc e n t u r y ”nh a sm a j l ya d v a i l t a g e si n c l u d i n ge x c e l l e n td e v i c ei s o l a t i o nf u n c t i o n ， l e s sp 鼬s i t i ce f r e c t sa r n o n gd i 丘 c r e n tp a n s ，h i g hs p e e d ，g o o dr a d i a n o nt o i e r a t i o n ，a n d h i 曲i n t e g r a t i o nd e n s 咄e t c c o n s e q u e n t l y h i 曲v o l t a g es o is p i ch a sb e c o m ean e w f i e l do fp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u l tr e s e a i h a h i g hv o l t a g ep o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i tb a s e do ns o i i sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sm e f o l l o w i n gf e a t u r e s ：t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo fp o w e rm o s f e te x c e e d s6 0 0v ，t h e h i 曲e s to p e r a t i n gf r e q u e n c yi s l5 0k h z ，a n dt l l e l a 唱e s to u 印u tc u h e mi s 1a t h ev i t a l p a r to ft h ed e s i g ni s t h ec o m r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gu n d e r _ v o l t a g ec h e c k i n gc i r c u i t ， o v e r - c u r r e n tc h e c k i n gc i r c u i t ，c i r c u i tf o rp r o d u c i n gs 培n a l so fm i s t a k e s ，姐dc i r c u i to f r e s e t t i n gw r o n gs i g n a l s t h ed e s i g n e dc i r c u i th a st h ef h n c t i o 璐o fs e l f _ p r o t e c t i o n 行o m u n d e t v o l t a g ea n do v e r c u r r e n t m o r e o v e r ，t w od r i v i n gs i g i l a lp m d u c i n gc i r c u i t sa r ed e s 培n e d o n ei sb a s e do n v c o ，a n dt h eo t h e ri sb a s e do n 舶q u e n c yd i v i d e lt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e ma r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s f 唧h e n l l o r e ，am e t h o do fr e a l i z i n gd e a dt 油e c h a n g e a b l ec i r c u i ti sg i v e n ，w k c hm a k e s 也ed e s i g n e dd r i v i n gc i f c u i th a v em o t e1 a t i t u d e r h e ni ti su s e d a l lo ft h ea b o v em e n t i o n e dj o b sp a v eaw a yf o rf u t u r er e s e a r c ha n da r e h e i p f u lf 0 “h er e a l i z a t i o no f p s o c t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g l l e ds o i i i 曲v o l t a g ep o w e ri n t e g r a t e dc h i p m e e t sm er e q u i r e m e n t s t h er e a l i z a t i o no ft h es o ih v i cc h i po 肫r ss o u n d e x p e r i m e n t a le v i d e n c et oa 胁h e rs t e po fa p p l y i n g 山es o ih v i ci n t op r a c t i c e k e yw o r d s ：s o i ，h i g hv o l t a g ed r i v e rc i r c u i t ，c o i l t r o lc i r c u i t ，l a y o u t u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：星红日期：御年厂月驴日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：勿d 6 年r 月q 日 第一章引言 1 1s o i 高压集成技术概述 第一章引言 s o i ( s i l i c o no nl n s u l a t o r ) 技术被誉为“2 1 世纪的硅集成电路技术”，是 新一代集成电路的主流技术之一，目前已广泛用于集成低压高性能l c 如超高速 c p u 。由于s 0 i 中器件和电路在其底部和四周均被s i o t 隔离，消除了体硅c m 0 s 集 成电路中的闩锁( l a t c hu p ) 效应，并减少了隔离区泄漏电流和隔离区面积；同 时。由于避免了衬底载流子注入效应，s o i 电导调制器件开关速度较同类硅基器件 快；因此，许多国家和研究机构投入大量经费用于研究在s o i 上实现智能功率集 成电路( s p i c ，s m a r tp o w e ri n t c g r a t e dc i r c u i t ) 并取得了较大成果”l 。较之 硅基高压集成电路，基于s 0 i 的智能功率集成电路只有以下特别突出的优点： 隔离的两个器件之间的耦合可以减到最小，从而提高i c 的性能，得到高 速，无闩锁，高坚固和高噪声容限的s p i c 。 利用s 0 t 衬底集成m o s 控制的双极型器件例如l i g b t 时，无衬底非平 衡载流子( 非子) 注入效应，减少了l l g b t 的开关时间，提高了含有 l i g b t 的s o i 智能功率集成电路的速度。 工艺制各相对简单。虽然s 0 i 材料的制各比体硅复杂，使得s o i 材料成 本较贵，但在s o i 材料和体硅上实现相同的器件结构时，s o i 器件不需 要额外隔离所需的埋层和对通扩散等工艺步骤，所以s o i 的工艺较为简 单。s 0 i 器件和电路制备工艺可在现有的体硅工艺线上实施，不需要对 体硅工艺线进行特别的改造，这使得s o i 技术非常具有吸引力。 每个隔离岛之间的良好隔离，使得每个隔离岛的集成器件可以视为分立 器件，从而大大简化了电路利器件的设计。 隔离岛之间的漏电流极小，适合于高温工作。 在空问工作时抗辐射能力较强。在辐射下产生的少数载流子比体硅相应 减少了三个数量级，提高了器件的抗辐照能力。 对于多个功率器件集成在同一个芯片的s p i c 电路，s ( 】i 技术的优越性更加明 显。如集成了两个功率器件的源跟随器电路，上边高端晶体管源极处于高电位， 对于体硅器件，源和衬底电位的不同使漂移区耗尽，导通电阻r 。增大；而s o i 器 对于体硅器件，源和衬底电位的不同使漂移区耗尽，导通电阻r 。增大；而s o i 器 电子科技大学硕士学位论文 件中，耗尽层出现于埋层s i o 。和漂移区之间的界面上，当强反型建立时，耗尽层 不再增加，导通电阻r 。几乎不变。 总之，s o is p i c 以其高速、抗辐射性能优、驱动能力强、体积小和高温特性 好等优点成为了众多装备的极佳选择，尤其适合于运行在航空、航天、深海等特 殊、恶劣环境下的装置。 1 2 国内外s o l 高压集成技术研究现状 国外有众多的大学和大公司竞相研究开发s o i 技术，如美国的b e r k e l e y 、i b i s 、 t i 、i b m 、h p ，日本的n t t 、t o s h i 队、三菱电子，韩国的三星、现代公司，欧洲有 英国的皇家信号与雷达科学研究院，法国的s o i t e c ，比利时的校际微电子中心等 都开展了s o i 材料、器件和电路方面的研究，并取得了很大的进展。 在s o i 材料研制方面，三种s o i 技术s i m 0 x ( s e p a r a t i n gb y i m p l a n t i n go x i d e ) ， s m a r t c u t 和s d b ( s “i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 已走向商业化。目前国际上已有 商品化低成本的批量s o i 材料出售，其中美国的i b i s 公司具有年产6 万片8 英寸 s i m o x ( 注氧隔离) 晶片的能力，并制造出了商业化的新一代专用大柬流离子注入 设备。据估计低剂量8 英寸s i m o x 晶片成本相当于标准的外延片，且成本还有进 一步下降的可能。日本的佳能、东芝、美国的s i b o n d 、英国的b c o 等公司已批量 生产直径4 、5 、6 、8 英寸高质量键合s d b ( 硅片直接键合) 晶片，其中佳能年产 6 万片以上的8 英寸s o i 晶片。法国的s o i t e c 公司利用s t 【i a r tc u t 技术，可年产 1 0 0 万片s o i 晶片。i b m 、i n t e l 公司已在其1 3 0 纳米技术代集成电路产品中开始 采用s o i 技术。可以看出，绝缘体上硅( s o i ) 晶圆现在已成为一种很好的技术选择， s o i 技术有望在4 5 n m 以下技术中取代体硅技术成为集成电路的主流技术j 。 高质量的s o i 材料的研制成功，促进了器件和电路的研究口。1 “。s o i 功率器件 和s o i 控制及功能电路的研究是研制s o i 智能功率集成电路的关键。为了进一步 提高s o i 功率器件的耐压，提出了很多新结构。s o i 器件的耐压与s i 层厚度、埋 层s i o ：的厚度密切相关。在厚的s o i 结构中，器件的纵向耐压主要由s i 层和埋层 s i o ：来承担，故提高s i 层厚度和埋层s i0 2 的厚度都可提高耐压。但s i 层受深槽 介质隔离时刻蚀和多晶硅填充工艺的限制，不能过厚。提高埋层s i o 。厚度可使击 穿电压迅速上升，埋层s i o ：每增大l 肿，击穿电压可增大6 0 v ，但厚度大于3 m 则 工艺制备很困难且工作时的散热问题愈加严重。y s h u a n g 和b j b a l i g a 将 体硅器件的r e s u r f 原理应用于s o i 器件上，可获得6 0 0 v 的耐压，但这种结构需 第一章引言 要2 5 岬厚的s i 层和3 岬埋氧层，增加了工艺的难度。q i nl u 等对标准的s o il d s 结构进行改进，通过刻槽使漏端与衬底相连，反偏时使p 型衬底耗尽来参加承受 高压，其s i 层厚1 m ，埋层二氧化硅厚1 2 p m ，漂移区长4 0 岬时耐压为4 2 5 v 。 f u d r e a 等综合体硅技术和s 0 i 技术的优点，采用部分隔离技术制备l i g b t ，其 耐压比普通同样结构的s o i l i g b t 提高了8 0 v 。y s h u a n g 和b j b a l i g a 等 人研制了耐压5 0 0 v 的l i g b t 器件。 电导调制类功率器件的典型代表一绝缘栅双极晶体管i g b t 集合了功率m o s f e t 输入阻抗高和功率晶体管漂移区电导调制的优点，具有m o s 栅控制、耐高压、大 电流密度、低导通损耗、大安全工作区( s o a ：s a f eo p e r a t i o na r e a ) 和较快速 度的优点。但相较于功率m o s f e t ，i g b t 有着更长的开关时间，究其原因，在于i g b t 结构中宽基区( 甚至 1 0 0 岬) 的非平衡载流子存储效应，致使其关断过程出现“拖 尾”的慢速驰豫。b j b a l i g a 等对i g b t 的开关过程进行实验，采用高能电子轰 击或掺重金属以降低非平衡载流子寿命而减小关断时间。还有其他科研人员进行 中子辐射等实验。但这类技术由于寿命控制的局域性、热稳定性和工艺兼容性所 限，其效果尚待改进。另一类方法是采用控制发射极注入效率的所谓“集电极工 程”，诸如透明集电极、集电极短路等。但对于s 0 i 横向电导调制功率器件l i g b t 及包含这类器件的s o i 智能功率集成电路而言，通常的寿命控制技术不再适用， 电子科技大学微电子所在国际上首次提出s 0 i 智能功率集成电路h e 生空位局域寿 命控制技术，并将这项理论应用于项目的研究开发。 在器件研究的基础上，基于s o i 的高压集成电路获得了较大的发展_ 1 4 j 。东芝 的研究开发中心报道在s d b 硅片上研制成功5 0 0 v 1 a 的三相d c 无刷马达驱动电路， 集成了6 个l i g b t 和6 0 0 个b i c m o s 低压逻辑器件，具有过温、过流和短路保护功 能，工作频率为1 6 k h z ，应用于系统中可获得低噪音并减小系统尺寸。而且该电路 还较好的解决了在同一芯片上集成多个功率器件的问题，并提高了速度。德国的 l _ i s t o i s i e k 等人用键合、深槽刻蚀、填充等技术在s o i 上获得耐压6 0 0 v 的l o m o s 和l i g b t ，并在标准0 8 岬工艺线上集成了l i g b t 半桥电路。j w e y e r s 和h v o g t 利用s i m o x 晶片和介质隔离，将v d m o s 功率管、h v p m o s 场效应管、c m o s 器件、 n p n 晶体管、j f e t 晶体管、齐纳和肖特基二极管集成于同一芯片上。这种单片s p i c 芯片泄漏电流极小，消除了闭锁效应，能应用于军事装置、航空航天、汽车、工 业、通信和消费电子等产品。k s u d a 等人研究出了汽车系统的4 通道高端开关电 路( 5 0 v1 5 a ) ，采用e p i c 介质隔离技术，消除了沟道间的电气影响，芯片面积较 小，为3 9 m m 4 8 m m ，器件可工作在1 5 0 。c 高温下。另外还在芯片里面集成了过 电子科技大学硕士学位论文 流、过压和过温的保护电路和诊断电路，这些保护电路分别工作在4 a ，3 5 v 和1 7 0 。c 的条件下。y s u g a w a r a 等人集成了2 8 0 v 的3 4 通道驱动电路，每个通道输 出电路是推挽型，由高压横向晶体管组成，尽管有许多高压通道，但是由于使用 了e p i c 介质隔离技术，芯片面积小( 3 7 4 哪2 7 5 姗) ，输出电流很大( 2 0 0 i i l a ) 。 因此该驱动电路可用于大范围的平板显示器驱动。h s u m i d a 等人采用s d b 键合 和刻槽隔离技术在s o i 衬底上获得了高性能等离子体显示平板( p d p ) 驱动电路， 该电路具有大的噪音容限，低的功率损耗。在p d p 中的驱动i c 需要1 5 0 2 5 0 v 的 高阻断特性和2 0 0 m a 4 0 0 m a 的大电流性能。采用介质隔离( d i ) 技术做扫描驱动 i c 可有效的减小芯片尺寸，与采用n 沟道结隔离( j i ) m o s f e t 作为驱动i c 相比 较，相同规格的d il i g b t 为输出器件的扫描驱动i c 的芯片面积可以减少至原来 的7 0 ，且具有高的阻断电压和大的器件输出电流。 国内对高压s 0 i 技术的研究起步较晚，从1 9 9 4 年开始有了较多的关于s 0 i 材 料技术和低压s o i 器件方面的报道。但s o i 高压器件和单片s o i 的s p i c 电路的研 制方面，国内单位较少涉及。电子科技大学微电子所在北京大学和信息产业部电 子2 4 所的协助下，采用键合和机械减薄的方法，获得了较好的高压s o i 材料，并 在该材料上初步研制出耐压为4 0 0 v 的横向功率m o s 型器件。近期电子科技大学微 电子所又提出了槽形埋层二氧化硅结构、n + 耐压层分区变掺杂结构和h e 生空位局 域寿命控制技术，有效地提高了器件的耐压和速度，已具备了研究s 0 i 功率集成 电路的能力。 1 3 本文的主要工作 由于在高压大电流工作条件下，功率集成电路虽然设有保护电路但仍易被烧 毁，因此必须认真研究过压、过流保护技术，提高基于s o i 的s p i c 的可靠性与 稳定性，使电路能在各种恶劣的环境条件下工作以满足项目应用的要求，这是本 论文研究内容之一。同时，由于该课题源于某预研项目，考虑到p s o c ( p o w e rs y s t c m o nc h i p ) 是将来s p i c 的发展方向，论文对典型高压驱动电路的某些方面进行了改 进，设计了减少芯片面积和提高稳定性的偏置电路取代传统偏置电路，设计了两 种驱动信号产生电路并进行了对比，设计了死区时间可调的死区产生电路，这些 将为进一步研究s p i c 向p s o c 过渡打下一定基础。 本文主要由以下几部分构成： 第一章：介绍s o i 高压集成技术相对于体硅的优点及s o i 高压集成技术的国 4 第一章引言 内外研究现状，介绍本文的主要工作并对本文的章节进行安排。 第二章：介绍s o i 高压驱动电路的工作原理及总体电路设计，给出了各单元 电路的功能以及总体电路性能指标。 第三章：对本课题中的控制电路子模块进行分析设计，包括偏置电路、高低 压欠压保护电路、过流保护电路、出错信号产生电路、错误清零电路、驱动信号 产生电路的设计、死区时间可调的死区产生电路等，对其工作原理及设计过程作 了较为详细的阐述，并给出了仿真结果。 第四章：给出电路的版图设计、验证、工艺流程。 第五章：给出电路的测试结果。 第六章：总结本文所做的工作。 电子科技大学硕士学位论文 第二章s 0j 高压驱动电路总体设计 本章首先结合项目的性能指标要求和负载要求说明了在进行s o i 高压驱动电 路设计时要考虑的问题，然后介绍了论文设计的s o i 高压驱动电路的整体结构及 各部分的功能，接下来介绍了设计的s o i 高压驱动电路的工作原理，最后介绍了 s o i 高压驱动电路的典型应用情况并讨论了使用时某些关键器件参数的选取原则。 2 1s o f 高压驱动电路的性能指标及设计考虑 论文项目要求所设计的s o i 高压驱动电路的主要性能指标为： 耐压达6 0 0 v ， 漏电流小于1 0 0 u a ， 工作频率在1 5 0 k h z 左右， 具有抗闩锁效应能力， 具有过流保护和欠压保护功能， 驱动输出电流为0 5 一1 0 a 。 根据上述项目要求，同时考虑到该电路所带负载v d m 0 s ，i g b t 等对驱动电 路的要求，并且项目使用的材料是s o i ，在设计时应该尽量利用其相对于体硅的优 点，结合上述各个方面，在设计时应注意以下一些问题： 驱动电路输出的驱动信号的电压不能太小，否则不能保证被驱动的器件 开启时处于饱和导通而增加其本身功耗，故驱动电路的电源电压不能太 低，一般实际电路可以在l o 2 0 v 均正常工作，论文采用1 5 v 作为驱动电 路的电源电压。 由于采用1 5 v 的电源电压，而输入信号般是幅度为5 v 的t t l 或c m o s 波形，故需要对输入信号电平处理以保证电路对上述信号兼容。 由于被驱动的负载对驱动电路呈现的等效电容很大，达n f 量级，为了保 证能够快速开启和关断被驱动器件，一方面必须有足够的驱动电流( 项 目要求设计的电流驱动能力为0 5 1 o a ) ；另一方面，驱动电路的输出等 6 第二章s o i 高压驱动电路总体设计 效电阻必须足够小，这将减小驱动功耗，提高电路工作速度。 被驱动负载不能同时导通以免烧毁，故驱动电路应该为两个驱动信号提 供死区时间避免负载同时导通。 当电源电压下降过多时，输出驱动信号幅度下降，这将可能使被驱动器 件进入放大区丽增加功耗，因此驱动电路应该有欠压检测功能，防止电 压过低时驱动电路仍然工作。 当被驱动的负载发生过流时，应该及时关断负载以保护负载，故驱动电 路应该具有过流检测功能，防止负载过流时驱动电路仍然工作。 由于所要求的驱动电路耐压达6 0 0 v ，故要求集成实现一个电平转移电路， 在最坏情况下高压器件耐压为6 1 5 v ，此时高压器件若长时间导通，则其 功耗太大，很容易烧毁驱动电路，为使高压器件的导通时间尽量小，应 采用脉冲来触发高压器件，但是若此触发脉冲时间太短则可能器件不能 有效导通，设计时应该折衷考虑。另外为了防止工艺原因造成高压器件 导通电流过大，设计时应在源端加限流电阻实现负反馈抑制电流。 由于高低端信号经过的电路模块不一样，当它们到达输出端的时同也将 不一样，设计时应该注意进行信号的延时匹配。 为了提高电路的成品率，电路应该设计得尽量简单可靠，性能指标对工 艺变化不敏感。 由于采用s o i 材料，电路具有抗闩锁效应能力且漏电流小，故电路设计 和版图绘制时不需要在这方面采取特别的措施。 2 2s o l 高压驱动电路的总体结构 图2 1 是设计的s o i 高压驱动电路的整体结构框图。从图中可以看出整个电 路可分为两个主要部分：即驱动部分和控制部分。驱动部分的主要功能是产生两 个能够驱动大功率管的驱动信号。此两个驱动信号是两个反相的矩形波，其中一 个驱动信号输出高电平为1 5 v ，低电平为o v ，用于驱动低端外按大功率管；另一 个驱动信号输出高电平为v s s + 1 5 v ，低电平为v s s ，用于驱动高端外接的大功率 管，v s s 的大小由具体应用情况决定，最高可达数百伏。为避免两个大功率管同 时导通而烧毁电路，驱动信号间必须具有一定的死区时间。驱动部分主要由以下 子电路组成：高、低端信号输入电路( h i n p u t 、l 玳p u t ) 、高低端驱动信号死 7 电子科技大学硕士学位论文 区产生电路( d e a d t i m e ) 、高端驱动信号脉冲产生电路( p u l s e ) 、高端上升沿 脉冲和下降沿脉冲电平转移电路( s h i f t e r ) 、高端上升沿脉冲和下降沿脉冲滤波 电路( f i l t e r ) 、r s 门信号恢复电路( r s g a t e ) 和低端延迟电路( l d e l a y ) 、 高端和低端驱动电路( d 鼬v e r ) 。整个电路的第二个部分是控制电路部分，其功 能是对整个电路的工作状态进行监控，当电路工作发生异常情况时产生控制信号 去控制电路相应部分使之完成相应的动作，从而完成对电路的保护；电路提供的 保护功能主要为欠压保护和过流保护。控制电路部分主要以下子电路组成：低压 端欠压检测电路( l s u v ) 、高压端欠压检测电路( h s ，u v ) 、过流检测电路 ( c o m p a r e ) 、出错信号产生电路( f a u l t ) 、错误信号清零电路( c l e a r ) 。 图2 1s o l 高压驱动电路的整体框图 2 3s o l 高压驱动电路的工作原理 v b h o u t v s s v 如 l o u r v c c 前面叙述了s o i 高压驱动电路的总体框图，共包括1 6 个子电路模块。下面介 绍各个模块的功能和整个电路的工作原理。 高、低端信号输入电路( h i n p u t 、l i n p u t ) ：由于项目采用电源电压为 1 5 v ，而输入信号可能是5 vc m o s 或l s t t l 的输出信号，因此必须进行转换， 把输入的5 v 驱动信号转变为1 5 v 的驱动信号，同时对输入信号进行整形，这就 是高低端输入电路所完成的功能。 高低端驱动信号死区产生电路( d e a d t i m e ) ：为了防止s 0 i 高压驱动电路的 输出驱动的两个大功率器件同时导通而烧毁，两路输入信号经过信号输入电路处 理后输出到高低端驱动信号死区产生电路使高端和低端驱动信号之间产生一个死 第二章s o i 高压驱动电路总体设计 区时间以避免被驱动的高端和低端两个m o s 门功率器件在工作过程中同时导通。 高端驱动信号脉冲产生电路( p u l s e ) ：由于在后面的电平位移电路中的 l d m o s 的偏置电压最高可达到6 1 5 v ，如果l d m o s 导通时间过长就有可能烧毁 集成电路。故我们应该使用脉冲信号使l d m 0 s 快速开关以降低其导通功耗。为 此使用脉冲产生电路实现两个脉冲宽度为2 2 0 n s 的上升沿脉冲和下降沿脉冲驱动 集成的l d m o s 。 高端上升沿脉冲和下降沿脉冲电平转移电路( s h i f t e r ) ：该电路把高端驱动 信号脉冲产生电路产生的由以电源地为参考的固定的1 5 v 脉冲信号转变为以高压 端地v s s 为参考的浮动的脉冲信号。 高端上升沿脉冲和下降沿脉冲滤波电路( f i l t e r ) ：经过电平位移电路，信号 由l d m 0 s 的漏极输出后波形很差且带有杂波，所以我们采用了一个高端信号滤 波电路滤掉杂波并对波形进行整形。 r s 门信号恢复电路( r s g a t e ) ：把两路滤波后的脉冲信号还原为一个以高 压端地v s s 为参考的驱动信号。 低端延迟电路( l d e l a y ) ：使低端驱动信号与高端驱动信号的延时相匹配。 高端和低端驱动电路( d r e r ) ：增强s o i 高压驱动电路的驱动能力，使之 能够驱动大功率管。 低压端欠压检测电路( l s u v ) ：当低端电源电压下降到低于某个值时，低端 欠压检测电路输出一个欠压信号送到出错信号产生电路。 高压端欠压检测电路( h s u v ) ：此电路与低端欠压检测电路相同，当高端电 源电压下降到低于某个值时，高端欠压检测电路输出一个欠压信号到r s 触发器封 锁高端输出信号。 过流检测电路( c o m p a r e ) ：当电路检测到集成电路所驱动的m o s 门功率器 件流过的电流过大时，过流检测电路输出一个过流信号到出错产生电路。 出错信号产生电路( f a u l t ) ：监测欠压检测电路和过流检测电路的输出，发 生欠压或过流时产生出错信号。 错误信号清零电路( c l e a r ) ：错误排除后，错误信号清零电路接受从外面送 入的错误清零信号，清除产生的错误信号，使电路恢复正常工作。 整个电路的工作原理如下： 当电路正常工作时，从高、低端输入两路驱动信号到高端信号输入电路和低 端信号输入电路，该电路把输入的5 v 驱动信号转变为1 5 v 的驱动信号，以满足 驱动n 沟m o s 门功率器件的要求。每路输入信号经过信号输入电路处理后产生两 电子科技大学硕士学位论文 路信号( 路与之同相，一路与之反相) 输出到高低端驱动信号死区产生电路， 该电路的作用是在高端和低端驱动信号之间产生一个死区时间以防止被驱动的高 端和低端两个m o s 门功率器件在工作过程中同时导通而烧毁。经过高低端驱动信 号死区产生电路后，高端驱动信号进入到高端信号脉冲产生电路转变为与其上升 沿和下降沿分别相对应的两路脉冲信号送入高端电平转移电路。高端驱动信号电 平位移电路完成脉冲信号的整形，再把它们转变为以高压端地v s s 为参考的浮动 的脉冲信号。经过电平位移电路，信号由l d m o s 的漏极输出后波形很差且带有 杂波，所以我们采用了个高端信号滤波电路滤掉杂波并对波形进行整形。然后， 两路脉冲信号由r s 门信号恢复电路还原为一个以高压端地v s s 为参考的驱动信 号。最后，经过高端驱动电路该驱动信号被转变为符合要求的高端驱动信号输出。 而低端驱动信号被送到了低端延迟电路，它使低端驱动信号与高端驱动信号的延 时相匹配。此信号再经低端驱动电路处理后变为符合要求的低端驱动信号输出。 当集成电路工作中出现不正常情况时，电路中的错误检测与保护电路部分将 起作用。具体情况为：当低端电源电压v c c 发生欠压或由于某种原因造成流过集 成电路所驱动的m 0 s 门功率器件的电流过大等情况时，低压端欠压电路或过流检 测电路将分别产生一个信号送入出错信号产生电路。这时出错信号产生电路就会 发出个出错信号封锁逻辑控制电路与驱动电路部分的工作，并保持这个出错信 号，使驱动电路部分最后的输出始终保持为低电平。出错状态还通过出错信号产 生电路的一个输出端输出，由外接的一个发光二极管指示出来。当电路的故障被 排除后，可通过输入清零信号给错误信号清零电路，由它处理后发出信号给出错 信号产生电路清除它所保持的出错信号，使驱动电路恢复正常工作。另外，当高 端的高压部分电源v b 相对与高压端地v s s 的电平发生欠压时，高端欠压电路将 产生出错信号送入r s 门信号恢复电路封锁高端高压部分的工作，当电源电压恢复 正常后高压部分习正常工作。 2 4s o i 高压驱动电路的应用 图2 2 给出了所设计的s o i 高压驱动芯片实现半桥电路的典型原理图。图中 v c c 接1 5 v 电源电压，v h 接6 0 0 v 电压，h 和l 分别是高低端输入驱动信号， c l 是错误信号清零输入信号，c 是电源滤波电容，c b 是自举电容，d b 是反向截 止二极管，c b 和d b 一起构成自举电路给s o i 驱动电路高端部分供电。r s 是外 接负载电流检测电阻，把负载电流转化为一个电压并把它输入到过流检测电路， 第二章s o i 高压驱动电路总体设计 当过流时发生此电阻上电压高于过流比较器的参考电平，此时过流检测电路将输 出一个过流信号并中断驱动电路的工作。l e d 发光二极管用作出错指示，当驱动 电路发生过流或欠压时f a u l t 输出变低，l e d 导通发光报错。 当电路正常工作时图中两个功率m o s 管交替导通，故v s s 电平在v s o 和v h 之间波动，且其波动频率与输入驱动信号频率一致。当h o u t 输出低电平，l o u t 输出高电平时上面的功率m o s 管截止，下面的功率m o s 管导通，此时v s s 近似 接到v s 0 ，v c c 通过d b 和下面的功率m o s 管给c b 充电：当h 0 u t 输出高电 平，l o u t 输出低电平时上面的功率m 0 s 管导通，下面的功率m 0 s 管截止，此 时v s s 近似接到v h ，d b 由于反向偏置而截止，其承受的反向电压约为v h ，最 高可达6 0 0 v 左右，由于d b 截止，这时驱动电路的高端部分由电容c b 供电，c b 上电荷主要用于下述3 个方面：( 1 ) 使高压侧功率器件开启所需的栅电荷，( 2 ) 高压部分电路的静态电流，( 3 ) 电平位移时所流过的电流，由于c b 上电荷泄放， 其上电压将逐渐下降。 v h l h 图2 2s o i 高压驱动电路的典型应用原理图 从上述可知，图2 2 中二极管d b 和电容c b 是两个重要元件，选用时要注 意，下面说明这两个元件的选取原则。 接角我 电子科技大学硕士学位论文 由于d b 反向承受电压最大为6 0 0 v 左右，故应该选取高反压二极管，根据工 程上选用器件参数时一般留一倍左右余量的原则，建议选用耐压大于1 2 0 0 v 的二 极管，实际中可选耐压为1 0 0 0 v 的管子即可，考虑到c b 充电时c b 上电压终值为 v c c 减去d b 的正向耐压和图2 2 中下面功率m o s 管的漏源电压，为提高c b 上 电压值，选用的d b 的正向压降应尽可能小，另外当d b 反偏时c b 上一部分电荷 将通过d b 泄放，为减少c b 上电荷泄放量，d b 应选用快恢复二极管。 对自举电容c b 而言，前面已经说明其泄放电荷主要为3 个部分，设开启功率 m 0 s 管所需电荷为q g ，驱动电路高压部分最大静态电流为i q ( m 。) ，每个工作周期 电平转移电路所需电流为q 。h ，则每个周期内自举电容泄放的总电荷为： ， 如= 2 9 + 型笋+ 级 ( 2 1 ) j 时钟f 为电路工作频率。随着c b 电荷泄放，驱动电路高端电压会下降，为了保证 高端电路不发生欠压封锁，c b 的最低电压必须大于发生欠压的临界电平v 。另外， 当c b 处于充电时，其最终电压为： = 一 ( ，2 ) 式中v c c 为电源电压，v d b 为二极管d b 的正向压降，v d s 为功率m o s 管导通时 漏源压降。由( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式，易知保证电路正常工作所需的电容c b 的最小值为： ， 2 q g + 掣+ q 曲 州m i 埘2 瓦j 匆：万 q 。3 值得指出的是，式( 2 3 ) 仅仅给出了一个相对简单的理论结果，并且没有考虑电 容自身的电荷泄漏等非理想因素，而且当c b 太小时电路容易出问题，故工程上 c b 值取得都比较大，达旺量级。 2 5 本章小结 本章首先介绍了项目的指标要求，并根据负载对驱动电路的要求，同时结合 s o i 材料的特点，对项目设计中需要注意的方面进行了阐述，确定了s o i 高压驱 动电路的整体框架及各个子模块的功能，介绍了电路整体工作原理，给出了该s o i 高压驱动电路典型应用情况，对其中重要元件d b 和c b 的参数选取原则进行了分 析。 第三章s o i 商压驱动控制电路子模块设计 第三章s 0l 高压驱动控制电路子模块设计 在第二章我们介绍了s o i 高压驱动电路的整体结构和工作原理及典型应用。 本章将阐述其中控制部分子电路的工作原理、设计过程和仿真结果。这些子模块 包括偏置电路、高低端欠压检测电路、过流保护电路、出错信号产生电路、错误 信号清零电路、驱动信号产生电路和死区产生电路等。 3 1 偏置电路 偏置电路是一个基本子电路模块，它为其它子电路中的m o s 管提供偏置电压 或偏置电流，保证其它电路能够正常工作。 图3 1 a ) 是在传统驱动电路中经常采用的典型偏置电路，该电路最主要的优 点是简单，设p m o s 的阈值电压为v t p ( 表示绝对值，下同) ，若v c c 远大于v t p ， 则流过电阻r i 的电流为： ，y c c 一， f 。1 ) 尺1 7 图3 1a ) 传统偏置电路 图3 1 b ) 电源不敏感偏置电路 电子科技大学硕士学位论文 此电流可以通过镜像管给其它电路提供电压或电流偏置。该电路的缺点是：1 ) 若v c c 比较大，要得到较小的电流，则需要的电阻值很大，如要求v c c = 1 5 v ， i = 5 0 儿a ，设v t p = 1 v ，则r 1 = 2 8 0 k 欧姆，这个电阻将消耗较大的芯片面积；2 ) 该 电路对v c c 的波动很敏感，由于二极管连接的p m o s 等效电阻近似为其跨导的倒 数，为l k 欧姆的数量级，远小于r l 的值，故i 相对于v c c 的灵敏度约为1 ，此 电路产生的电流不稳，用于偏置其它电路会影响其它电路的性能。 图3 1 b ) 是项目采用的偏置产生电路陋1 7 】。图中虚线左边是典型的电源不敏 感偏置电路的一种改进结构。图中m 1 m 4 构成c a s c o d e 电流镜，设计时取他们的 宽长比相等，即其电流比为1 。m 7 m 8 及电阻r 2 构成一个w i d h 电流镜，m 5 一m 6 可以看作叠在其上的c a s c o d e 管，它们与m 7 m 8 及r 2 一起构成一个改进的w i d l a r 电流镜。由k v l ，有： ( s ) 吖8 = ( s ) 吖7 十朋2 ( 3 - 2 ) 式中i 为流过m 7 和m 8 的电流，把m o s 管电流公式代入式( 3 2 ) ，并消去n m o s 管的阈值电压，得( 忽略了体效应) ： 一一! l 一一_ 三l + 僚， 、万可丽2 、瓦瓦万面i “心 ( 3 。3 ) 令m 7 与m 8 宽长比之比为k ，则上式可以变为： 三一j 7 f 1 一圣) 2 ：， r3 4 、 c 。，( 形) 吖8r 2 2 、 k 上式表明该电路产生的电流只与器件工艺参数相关，与电源电压无关，克服了图 3 1 a ) 传统偏置电路电流随电源电压波动的缺点，且电阻r 2 取值很小，大大节省 了电路版图面积。仔细观察不难发现电路中存在一个正反馈，我们知道，只有当 正反馈系数小于l 时电路才是稳定的，这就要求我们在设计电路时选取k 1 。 值得注意的