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高压电源管理芯片中低压电路用电源的研究

刘继芝  
【摘要】: 电源管理的应用无处不在,从计算机、便携设备、家电,到工业控制、照明、宇航、军事等领域,其市场极为广阔。随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视,功耗和成本问题逐渐成为关注热点,电源管理和电源控制IC市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一,降低电子产品的功耗这一广泛需求,将推动电源管理器件市场的稳步发展。 本论文正是在充分了解国内外电源管理芯片研究现状的基础上,对高压电源管理芯片中的低压电路所用的电源的产生及不同参考点的低压电路中信号传递进行了深入的研究,这些参考点之间的电压差可能非常大,而每种电压所在电路的低压电源的电压又非常低,本文重点研究了用于通过高压母线电源产生低压控制电路用低压电源的高压电流源电路和用于不同电源系统之间信号传递的高压电平位移电路,通过深入分析它们的工作原理及过程,在前人的基础上提出了一些改进方案,这些方案可以为改善电源管理芯片的性能提供参考。 本文的独创性工作主要表现在第三章、第四章、第五章和第六章,主要内容为: 1、根据陈星弼院士的发明专利“一种半导体器件及其提供的低压电源的应用”(专利申请号:200810097388.6)中的思想,利用高压LDMOS和VDMOS的器件结构,设计了高压电流源电路结构。通过流片实验证明,该结构采用普通的CMOS工艺流程,利用类似于浮空场限环的原理可以实现自偏置功能,可用作单片开关电源启动时所用的高压电流源电路。该结构通过一个简单的低压MOST器件,可以关断充电电流,从而实现该结构的可控性。采用该结构的单片集成开关电源的控制芯片具有节省芯片面积,降低电路功耗,易于控制的优点。 2、根据陈星弼院士的发明专利“一种半导体器件及其提供的低压电源的应用”(专利申请号:200810097388.6)中的思想,设计了一种用于无极灯CMOS驱动的正负电源的结构。通过流片实验证明,该结构采用普通的CMOS工艺流程,所得到的正负电源具有一定的稳定性,其电压随母线电压的变化小,且该结构具有可控制性,能够通过内部的低压电路进行简单有效的控制,可适用于CMOS驱动芯片。 3、根据高压电平位移电路的工作过程的特点,提出一种采用分区RESURF技术并应用多金属环终端技术的新的电平位移结构。该结构的耐压区采用多金属环的结构,提高了电路的可靠性。利用结构中的寄生二极管效应,减小了高侧驱动电路的电源电压与输入电压之间的电压差,并且该电压差的最大值较已有结构降低了30%。该结构还具有良好的电压及电流隔离能力,可适用于各种应用的电平位移电路。 4、在对高压电平位移电路结构进行仿真的过程中,发现只有通过三维仿真才能全面了解结构的电压及电流的分布情况。但是完全的三维模拟存在计算时间长、可用网格点有限等缺点,因此提出了一种用于验证高压电平位移电路结构的准三维模拟方法。该方法利用Medici软件的电路仿真模块将三维器件结构用许多二维器件结构按照一定的顺序连接起来。所用二维器件有两种,一种的横截面垂直于另一种的横截面。再利用二维仿真器及其固有的含外电路的仿真功能将两种二维器件结合起来进行仿真。此种准三维模拟方法与真三维仿真器Davinci的仿真结果相比较表明,该准三维模拟方法可以正确地模拟三维高压电平位移电路的电势和电流分布,且占用的CPU时间被大大减少。该准三维模拟技术可以被推广应用到其它情形,具有计算快、无需高级计算机终端且操作容易等优点。


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