功率LDMOS管以及电阻电容
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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。
2019/5/25
7/84
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
26/84
组合逻辑电路
2019/5/25
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
2019/5/25
9/84
PWM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
2019/5/25
10/84
开关电源原理
311V
t
2t
3t
4t
311V
t
2t
3t
4t
2019/5/25
TOP223
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
2019/5/25
4/84
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。
Q2 Q3
偏置电 压 Q11
Q6
Q8
Vc Drain
Q12
Q16
Q7
Q19 Q21 Q23
Q25
Q13
Q14 Q17
C1 Q9 Q10
R1
Q15 Q18
Q22 Q24 Q20
0
2019/5/25
25/84
最小导通时间延迟模块
2019/5/25
• 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。
2019/5/25
15/84
TOP223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%
2019/5/25
16/84
2019/5/25
12/84
TOP223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。
2019/5/25
13/84
TOP223封装
2019/5/25
14/84
TOP223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℃
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）。
2019/5/25
8/84
关键工艺参数的设计
在改造工艺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
开关电源SPIC—TOP223
2019/5/25
17/84
偏置电路
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。
电路控制 电压
C1 R1
M3 偏置电压1
M1
M2
Q1
Q2
Q3 Q4
M6
M7
M5
偏置电压2
M4
Q5
C2
R3
R4
Q6 R2
欠欠压压保保 护护输输入出
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；
2019/5/25
PMOS宽长比很大， 实现旁路分流的作用
误差放大器输出
19/84
误差放大器仿真结果
2019/5/25
20/84
锯齿波发生器电路
2019/5/25
5/84
SPIC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。
2019/5/25
6/84
功率器件关键参数确定
11/84
开关电源TOP223
TOP223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
1:8
Q8
Q7
R5
M8
Q9 基准电压
R6 Q10
IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5 ; IE9= IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5 ;
2019/5/25
VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5
18/84
误差放大器
反馈电流输入
Q6、Q7的栅电压互反，控制C1的充放电
2V
0.7V
2019/5/25
锯齿波输出
偏置 方波脉冲
偏置
21/84
锯齿波电路仿真图
2019/5/25
频率为100KHz
22/84
PWM比较器
2019/5/25
23/84
PWM比较器仿真图
2019/5/25
24/84
驱动电路
偏置电 压
Q1
Q5
栅控电 压 Q4
第七章 智能功率集成电路的设计
2019/5/25
1
主要内容
SPIC设计考虑 PWM开关电源SPIC设计实例 荧光灯驱动SPIC设计实例
2019/5/25
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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
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智能功率集成电路SPIC
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。
2019/5/25
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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
26/84
组合逻辑电路
2019/5/25
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
2019/5/25
9/84
PWM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
2019/5/25
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开关电源原理
311V
t
2t
3t
4t
311V
t
2t
3t
4t
2019/5/25
TOP223
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
2019/5/25
4/84
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。
Q2 Q3
偏置电 压 Q11
Q6
Q8
Vc Drain
Q12
Q16
Q7
Q19 Q21 Q23
Q25
Q13
Q14 Q17
C1 Q9 Q10
R1
Q15 Q18
Q22 Q24 Q20
0
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最小导通时间延迟模块
2019/5/25
• 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。
2019/5/25
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TOP223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%
2019/5/25
16/84
2019/5/25
12/84
TOP223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。
2019/5/25
13/84
TOP223封装
2019/5/25
14/84
TOP223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℃
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）。
2019/5/25
8/84
关键工艺参数的设计
在改造工艺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
开关电源SPIC—TOP223
2019/5/25
17/84
偏置电路
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。
电路控制 电压
C1 R1
M3 偏置电压1
M1
M2
Q1
Q2
Q3 Q4
M6
M7
M5
偏置电压2
M4
Q5
C2
R3
R4
Q6 R2
欠欠压压保保 护护输输入出
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；
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PMOS宽长比很大， 实现旁路分流的作用
误差放大器输出
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误差放大器仿真结果
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锯齿波发生器电路
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SPIC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。
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功率器件关键参数确定
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开关电源TOP223
TOP223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
1:8
Q8
Q7
R5
M8
Q9 基准电压
R6 Q10
IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5 ; IE9= IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5 ;
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VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5
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误差放大器
反馈电流输入
Q6、Q7的栅电压互反，控制C1的充放电
2V
0.7V
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锯齿波输出
偏置 方波脉冲
偏置
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锯齿波电路仿真图
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频率为100KHz
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PWM比较器
2019/5/25
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PWM比较器仿真图
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驱动电路
偏置电 压
Q1
Q5
栅控电 压 Q4
第七章 智能功率集成电路的设计
2019/5/25
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主要内容
SPIC设计考虑 PWM开关电源SPIC设计实例 荧光灯驱动SPIC设计实例
2019/5/25
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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
2019/5/25
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智能功率集成电路SPIC