智能功率集成电路发展概述

微电子技术学科前沿（三）

——智能功率集成电路发展技术前沿调研

指导老师：罗萍

学生：叶庆国

学号：2011032030018 SPIC：智能功率集成电路。随着微电子技术和功率MOS器件的发展，目前又新兴出一个领域：SPIC，Smart Power IC 。将输出功率集成器件与低压控制的信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片，是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物。SPIC自问世以来已经有了巨大的进步，汽车电子、平板显示、开关电源，电机驱动，工业控制，电源管理各方面应用广泛。

现就从SPIC（智能功率集成电路）的电路层面的技术实现，新型功率器件，封装技术，应用领域等多方面调研来了解智能集成电路的前沿动态。

1、Spic电路

SPIC 将所有的高压器件与低压电路集成在同一芯片上，消除了原来电力电子装置中各模块之间多余的连接[6]。这样既提高了电路的稳定性，也可以明显降低原来在高频工作时各模块之间引线对电路造成的破坏性影响，甚至可将过温、过流、过压和欠压等保护电路都集成进芯片去增强对功率器件的保护。因此，不仅显著地提高集成度、降低成本，更可令芯片整体的可靠性获得提升。

SPIC 共分为三个功能模块，分别是功率控制、传感保护和智能接口，如图1-3所示。其中，功率控制主要包括用作开关的各种功率半导体器件以及它们的驱动电路，在常见的率器件图腾柱式应用中，由于高侧器件的驱动电路与低侧器件的驱动电路分别参考不同的基准电位，驱动电路部分通常还要包含一个高压电平位移电路用以顺利从低侧向高侧传递控制信号。传感保护模块通过模拟电路采集芯片内各种电压、电流、温度信息并反馈给保护电路，在适当之时对芯片进行有效防护。另外，电力电子装置除了要与源和负载对接之外，还常常要与外部的计算机对接以实现编码控制。因此智能接口模块也非常重要，它使得SPIC 外界信息沟通及各种高级指令得以实现。

单片式

单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工作稳定等诸多优点，自20世纪90 年代中期问世以来已得到广泛应用。功率半导体器件是单片式智能功率集成电路发展的关键所在，如何提高功率半导体器件的耐压、降低其导通电阻以及解决其工艺兼容性直接关系着单片式智能功率集成电路的发展。RESURF（REduced SURface Field）技术是设计横向功率半导体器件的关键技术之一，它能够在保证横向功率半导体器件击穿电压不变的同时，降低横向功率半导体器件的导通电阻。

开关电源，即是电路中的功率器件通过开关两种状态切换来控制电源向负载

输出稳定功率的一种电力电子装置。传统的开关电源，由于生产工艺技术水平不

足的原因，除其功率管和控制电路之外，还另有若干个分立器件，使得开关电源

在成本、体积以及可靠性等方面都受到不小的限制。因此，开关电源一直沿着以

下两个方向不断发展。

第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化[27]，1977 年国外率先推出PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制器集成电路，如美国SiliconGeneral 公司的SG3524、美国Uuitrode 公司（已被美国Texas Instruments公司收购）的UC3842。

20 世纪90 年代，国外又推出开关频率高达1MHz 的高速PWM、PFM（Pulse frequency modulation，脉冲频率调制）芯片[27]，如UC1825。

第二个方向是对中、小型开关电源实现单片集成化，亦即是对单片式智能功

率集成电路的研究。随着半导体相关工艺技术的革新与进步，已然开发出相关工

艺能够将开关电源中的低压控制部件以及高压功率半导体器件集成到同一块芯片之中，如此不仅大大提高了硅片的利用率，降低了芯片的制造成本以及开关电源

的体积，而且由于功率管和控制电路集成在一起，开关电源的可靠性也得到了极

大地提高，目前单片式智能功率集成电路已形成几十个系列，数百种产品[2]，例如

国际整流器（International Rectifier，IR）公司制造的IR2110、IR2130 系列功率MOS

驱动集成电路（采用CD（CMOS、DMOS）工艺制造）、Power Integration（Power Integration，PI）公司制造的TOP 系列单片式开关电源集成电路（采用BCD（Bipolar、CMOS、DMOS）工艺制造）。单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工

作稳定等诸多优点，自20 世纪90 年代中期问世以来已得到广泛应用，目前业已

成为国际上开发300W 以下精密开关电源、特种开关电源、中、小功率开关电源

及电源模块的优选集成电路。

大功率LED

大功率驱动IC是LED照明应用中的重要组成部分,其技术成熟度正随着LED

照明市场的繁荣而逐步增强。无论在车用照明,室内照明还是工业照明领域都有了一批比较成熟的产品。但是随着LED照明应用的的进一步发展,产业对驱动IC解决方案也提出了更高的要求,这给LED驱动IC产业带来了巨大的机遇和挑战。

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大功率LED驱动IC的应用领域主要分为三个方面:一是用于建筑装饰和室内照明。二是用于汽车照明产品。三是用于室外公共照明的产品,例如路灯,隧道灯,大型探照灯等。LED驱动IC按照其应用领域的不同,其技术指标和特点也均不相同。装饰和室内照明是LED照明产业中发展潜力最大的领域,功率范围为10W?75W,目前市场多为白识灯、突光灯所占据。其驱动IC要求能将220V交流输入转换为恒流输出用于驱动大功率LED负载。从室内应用的安全性和实用性考虑,一般还要求其驱动电路采用隔离式设计,同时具有调光功能。电源效率一般要求大于80%。在车用照明方面,其电源来自汽车蓄电池,一般为48V,且对驱动电路的体积求较为苟刻,所以一般需要能承受较高电压的高集成度DC-DC恒流驱动IC,同时由于车载电源的波动性较大,所以驱动IC还必须具有宽的电压输入范围和强的抗干扰能力。室外照明领域多路灯、險道灯、景观灯等超过75W的大功率公共设施照明应用,考虑到其对电网和其他电器通信设备的影响,要求其驱动电路具有极高的效率(大于90%),较高的输入功率因数(大于95%) [4],好的电磁兼容性;同时从其制造和更换的成本上考虑,还要要求其具有长的电源寿命和高的可靠性。综上所述,针对不同的应用领域,如何能设计出高效,高功率因数,高恒流精度,高可靠性,高电磁兼容性,且智能可控的大功率LED驱动IC是行业发展的趋势和方向。

2、spic器件

自1955 年美国GE 公司生产出第一只大功率二极管SR（Silicon Rectifier）[3]，标志着功率半导体器件的诞生后，几十年以来功率半导体器件得到迅速的发展，已历经3 个发展阶段，功率半导体器件种类增长到近四十个[4]。第一代功率半导体器件时间段为六十年代到七十年代，第二代功率半导体器件时间段为八十年代到九十年代；第三代功率半导体器件出现在20 世纪90 年代中期。目前，功率半导体器件及其控制技术正朝高压大电流、高频以及集成化、智能化方向发展。

大功率晶体管（GTR）