输出管mosfet的漏极复习进程

输出管MOSFET的漏极SPIC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2023/1/132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2023/1/133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。2023/1/134SPIC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。2023/1/135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。2023/1/136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）。2023/1/137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。2023/1/138PWM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2023/1/139

开关电源原理TOP2232023/1/1310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2023/1/1311TOP223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。2023/1/1312TOP223封装2023/1/1313TOP223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℃2023/1/1314TOP223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%2023/1/1315开关电源SPIC—TOP2232023/1/1316

偏置电路欠压保护输入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。

2023/1/1317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；2023/1/1318误差放大器仿真结果2023/1/1319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2023/1/1320锯齿波电路仿真图频率为100KHz2023/1/1321PWM比较器2023/1/1322PWM比较器仿真图2023/1/1323驱动电路2023/1/1324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。2023/1/1325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2023/1/1326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。2023/1/1327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2023/1/1328整体性能分析输入输出输出随输入电压变化的影响2023/1/1329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2023/1/1330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。2023/1/1331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;

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。2023/1/1332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;

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。2023/1/1333工艺流程4、有源区光刻；掩膜版32023/1/1334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。2023/1/1335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5

2023/1/1336工艺流程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。2023/1/1337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。2023/1/1338工艺流程10、引线孔光刻;掩膜版8

2023/1/1339工艺流程11、铝淀积;掩膜版9

12、PAD;掩膜版10

2023/1/1340开关电源SPIC的版图设计

芯片面积：3mm×2mm最小线宽：3μm2023/1/1341版图检查2023/1/1342版图检查工艺层次的定义：2023/1/1343

版图检查2023/1/1344版图检查——DRC文件2023/1/1345版图检查——Extract文件2023/1/1346版图检查——LVS文件2023/1/1347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2023/1/1348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。2023/1/1349电子镇流器IC—UBA2014半桥驱动2023/1/1350UBA2014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2023/1/1351UBA2014管脚和封装2023/1/1352UBA2014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2023/1/1353UBA2014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。2023/1/1354UBA2014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。2023/1/1355UBA2014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，一旦频率下降到接近半桥负载的串联谐振频率，在灯管上就会产生较大的电压（大于450V

）使灯管启跳点亮。2023/1/1356UBA2014工作状态——点亮

当频率到达最小值后，电路进入点亮状态。灯一旦被点亮，LC串联电路则失谐，灯管两端电压为100V左右。这时平均电流检测电路（ACS）开始工作。一旦电阻R14上的平均电压到达参考电平时，ACS电路将会通过对CSW上的电容充放电来反馈控制频率，进而控制灯电流和灯的亮度。2023/1/13570.81V1.49V正常启辉时的波形2023/1/1358灯失效模1、失效在启辉状态

灯并没有点亮，LVS脚电压持续上升。电路将停止振荡并强制进入低功耗模式。只有当电源电压下降到一定值后电路才会被重置。2023/1/1359灯失效模2、失效在点亮状态

在正常工作时，灯突然失效，使电路重新进入启辉状态并且试图重新启辉点灯。如果再次启辉时间结束后，电平仍然被箝置在Vlamp（max），则表明启辉失败，电路将停止振荡并强制进入低功耗模式。2023/1/1360可调死区时间高压功率管2023/1/1361

可调死区时间2023/1/1362荧光灯驱动SPIC模块电路UBA2014芯片是一块耐高压的半桥荧光灯驱动芯片，主要可分为偏置及基准电路、方波及锯齿波发生器、迟滞比较器、5V模拟（数字）电源生成电路、压控信号产生及调光电路、自适应死区时间电路、自举电路、电平移位及高端逻辑电路等模块。2023/1/1363主偏置及基准电路2023/1/13642.5V缓冲基准源2023/1/1365电流基准电路这款电路全部采用的是电流模的方式来提供偏置。这样做的好处是：电压值通过导线进行远距离传输时，由于导线上存在的小电阻会使电压值产生误差。2023/1/1366方波形发生器

产生的方波周期为260ms。该方波用作定时器脉冲，以确定启辉时间（一个周期）和预热时间（七个周期）。宽长比很大，可以以1mA的电流泄放，进而使定时器停止振荡。2023/1/1367频率可调锯齿波发生器CF充电电流控制信号2.5V1.初始状态下，充电电流由Q1决定。Q2基极电压逐渐上升；2.Q2基极电压达到2.5V之前，M40始终关闭，充电状态保持不变；3.Q2基极电压达到2.5V时，M40开启，泄放Cext

电流，完成一个锯齿波周期。充电电流调节2023/1/1368压控信号产生及调光电路CSW外接电容CSW放电控制CSW充电控制CSW钳位输出信号CSW钳位输入信号跳频控制调光使能端2023/1/1369压控信号产生及调光电路CSW钳位输出信号CSW钳位输入信号CF充电电流控制信号控制M40的栅极电压调节CF2023/1/1370自适应死区时间电路确定预热时间2023/1/1371自举电路

当电路开始起振时，下管首先开启，而上管则处于关闭状态。Vs通过二极管对自举电容Cboot充电到Vs－VDboot。接下来，下管关闭，上管开启，Vout端被拉至HV。由于自举电容两端电压不能突变，Vboot=HV+Vs－VDboot。这样就得到了为上管提供栅压驱动逻辑所需的高端电压。2023/1/1372自举电路片内集成自举电路2023/1/1373电平移位及高端逻辑电路LDMOS100ns2023/1/1374电平移位及高端逻辑电路高压隔离区域剖面图2023/1/1375电平移位及高端逻辑电路

高端欠压检测电路2023/1/1376荧光灯驱动SPIC的BCD工艺

整块芯片使用的是P型外延的N阱工艺。工艺步骤比较复杂，掩膜版较多。可实现双极型晶体管、CMOS场效应管、功率LDMOS管以及电阻、电容、二