1、具有高噪聲抗擾性能的高邊驅(qū)動ICJong-Tae Hwang 飛兆半導(dǎo)體公司高級工程經(jīng)理單塊高邊驅(qū)動器集成電路為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了極大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是找出最簡單的方法來驅(qū)動開關(guān)器件，確保開關(guān)器件的速度，不占用太大的面積，并且采用低電壓控制,同時滿足采用3.3V 或5V供電的微控制器或其他控制器來實(shí)現(xiàn)控制。本文介紹了用于高邊驅(qū)動IC和傳統(tǒng)高邊驅(qū)動器拓?fù)涞母唠妷汗に嚕瑫r探討驅(qū)動器的相關(guān)問題。簡要解釋了新提出的技術(shù)如何來解決傳統(tǒng)高邊驅(qū)動器所遇到的普遍問題，如高壓集成電路 (HVIC) 的關(guān)鍵故障。除了解釋如何處理這些故障問題外，本文也會探討設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性問題，并給出一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一、高壓結(jié)端

2、接工藝在設(shè)計(jì)中，使高邊柵驅(qū)動器電路中的每一個器件都能耐受高達(dá)600V的電壓是很困難的，而且也不具備區(qū)域效益 (area-effective)。事實(shí)上，只需十幾伏便可驅(qū)動功率MOSFET 和 IGBT。因此，高邊驅(qū)動器本身并不需要在全高壓范圍工作。不過，高邊驅(qū)動器的偏移 (offset) 電壓仍須保持于最大的允許電壓值。為了滿足這個高偏移電壓需求，高邊電路被集成到高壓二極管的陰極區(qū)域。如飛兆半導(dǎo)體HDG4 625V的額定高壓處理器件的高壓二極管由P基板所包圍，該基板具有高電阻系數(shù)、N型埋層和低摻雜N型外延層。這種多層設(shè)計(jì)的目的是要達(dá)到625V的擊穿電壓的要求。為了使該二極管與其他器件水平隔離，需

3、要采用一些隔離層。鑒于二極管的陰極是由N型外延層所制成，故需要P型隔離 (PISO)。不幸的是，P型隔離層無法保證625V的額定隔離電壓。HDG4工藝采用額外的高壓隔離 (HVI) 結(jié)構(gòu)，以RESURF技術(shù)和N型外延層為基礎(chǔ)。由于HVI結(jié)構(gòu)的緣故，高邊電路區(qū)域 (高壓二極管的陰極) 和HVI結(jié)構(gòu)之間的PISO層被完全耗盡，而且有可能阻止高壓電場在PISO層中形成。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)高壓結(jié)端接并不容易。這種現(xiàn)象取決于N型埋層的濃度、在HVI中的位置，以及N型外延層的深度和電阻系數(shù)。這個設(shè)計(jì)難題一旦被克服，該項(xiàng)工藝就可提供具備良好區(qū)域效益的LDMOS。示例中的HVI結(jié)構(gòu)可以作為LDMOS的漏極，而MOS溝

4、道可以在PISO層中實(shí)現(xiàn)。由于LDMOS的漏極結(jié)構(gòu)與HVI相同，因此無需額外區(qū)域也可引進(jìn)LDMOS。在傳統(tǒng)工藝中LDMOS卻需要額外的區(qū)域才能引進(jìn)。因此，這是現(xiàn)代高邊驅(qū)動IC工藝的一大飛躍。二、高邊驅(qū)動器的構(gòu)造圖1所示為傳統(tǒng)高邊驅(qū)動器電路框圖。該傳統(tǒng)高邊驅(qū)動器一般由以下6部分組成：(1) 輸入檢測邏輯(2) 邊緣脈沖發(fā)生器(3) 電平轉(zhuǎn)換器(4) 整形器(5) S-R觸發(fā)器(6) 柵驅(qū)動器(從這里開始，本文將把上述提到的高邊驅(qū)動器稱為HVIC。)通過電平轉(zhuǎn)換電路利用帶R1和R2高壓LDMOS將輸入信號傳送到高邊驅(qū)動電路之前，輸入檢測電路會決定輸入信號的邏輯觸發(fā)電平VIH 和 VIL。根據(jù)該信號

5、，邊緣脈沖發(fā)生電路會根據(jù)上升和下降邊緣產(chǎn)生兩種短脈沖。其中，高壓LDMOS會把這些短脈沖電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；通過R1及R2在高壓區(qū)域重新生成短脈沖電壓信號。“整形器”(reshaper) 是一種具有給定閾值電平的比較器，能把信號放大到VB 和VS之間的范圍。這些信號決定了S-R觸發(fā)器的狀態(tài)。通過S-R觸發(fā)器，低邊輸入命令可以傳輸?shù)街挥羞吘壭盘柕母哌厖^(qū)域。最后，由M1和M2組成具有適當(dāng)電流驅(qū)動能力的輸出驅(qū)動器將驅(qū)動外部高壓功率器件。三、高dv/dt噪聲警示然而，脈動噪聲也會影響S-R觸發(fā)器的狀態(tài)。高dv/dt噪聲對這類脈沖驅(qū)動的HVIC尤其有害。假設(shè)LDMOS的寄生電容Cp在漏級為2pF，V

6、S節(jié)點(diǎn)噪聲為每納秒50V。這噪聲通過靴帶式 (bootstrapping) 電容 CBOOT與VB結(jié)合。由于LDMOS的漏級電壓隨著快速變化的VB電壓而改變，Cp必須采用大電流充電。這個大電流可利用下式來估算：I=Cp*dv/dt. (1)由于dv/dt噪聲很高，充電峰值電流可達(dá)100mA。這個大充電電流在R1和R2上造成了很大的電壓降，致使S-R觸發(fā)器發(fā)生誤觸發(fā)。如果找到簡單而有效的方法來消除這種噪聲，那將是避免HVIC故障的最佳解決方案。但是，要抑制與HVIC結(jié)合的噪聲是不可能的。因此，提高HVIC的噪聲抗擾性是一項(xiàng)極富具挑戰(zhàn)性的工作。三、允許的負(fù)輸出電壓VB和VS分別是高邊驅(qū)動器的所能輸

7、出最高和最低電壓。利用靴帶式電容CBOOT和靴帶式技術(shù)，二者的電壓差VBS幾乎是恒定不變。但是，VS取決于半橋輸出電壓，而VS與外部MOSFET源或外部IGBT的發(fā)射極相連。理想的HVIC無論在任何VS電壓的情況下都可正常工作。不過，對于實(shí)際的HVIC來說，VS對操作影響嚴(yán)重。圖2所示為HVIC運(yùn)作相對于VB的示例，如以下是對 (A) 和 (B) 描述：(A) VS > 0: 整形器的閾值電平為VTH。故僅當(dāng)電平轉(zhuǎn)換器的輸出幅度低于這個數(shù)值時，信號才為整形器所識別。如果VS大于0，則電平轉(zhuǎn)換器輸出幅度足夠達(dá)到VTH值。HVIC正常工作。(B) VS<-VTH:在這種情況下，VS是負(fù)

8、的。這樣，VB電壓的絕對值低于情況 (A)。因此，電平轉(zhuǎn)換器的最大輸出幅度被限制在VB和接地之間，結(jié)果，整形器不能捕捉電平轉(zhuǎn)換器的輸出，而S-R觸發(fā)器狀態(tài)亦不能更新。在情況 (B) 中，允許的負(fù)VS電壓為 VTH，因?yàn)镠VIC在該值以下并不會作任何響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種故障很常見，因?yàn)镠VIC經(jīng)常會驅(qū)動感性負(fù)載。圖3(A) 所示為采用HVIC的常見半橋電路 (這里FAN7382是HVIC，并具有低邊驅(qū)動電路)。該電路驅(qū)動一感性負(fù)載L，并具有電流檢測電阻。轉(zhuǎn)換輸入如圖3(B) 所示。當(dāng)HIN很高時，漏極與600V線相連的高邊外部功率MOSFET將被導(dǎo)通，并向感性負(fù)載提供電流。即使LIN很高及低

9、邊MOS在之后導(dǎo)通，電流也會從地流向負(fù)載。于是，輸出電壓 (VS) 變?yōu)樨?fù)。此外，電流檢測電阻使輸出電壓的負(fù)值更大。之后，HIN再次變得很高。HVIC所要做的就是使輸出電壓增大。不過，若允許的負(fù)VS電壓高于 V，HVIC將會失去這種功能，如圖所述。四、建議的HVIC電路現(xiàn)在，對HVIC的要求是：(1) 增強(qiáng)對高dv/dt噪聲的抗擾性，(2) 加大允許的負(fù)VS電壓。為了達(dá)到這些要求，新的整形電路應(yīng)運(yùn)而生 (圖4所示)。如前面所解釋，允許的負(fù)VS限制值源于整形電路預(yù)設(shè)定的閾值電平。毋庸置疑，該限制值可以通過VTH電平的升高來增大。不過，這種設(shè)計(jì)會使HVIC對噪聲過于敏感。電平轉(zhuǎn)換器的輸出從VB向接

10、地方向擺動，而傳統(tǒng)的整形器工作在VBS電源電壓下。因此，利用整形器對電平轉(zhuǎn)換器輸出所做的檢測由VB電壓水平和整形器的VTH來決定。在這種新方案中，利用了V/I (電壓轉(zhuǎn)化成電流) 轉(zhuǎn)換器避開了VTH的問題。V/I轉(zhuǎn)換器把電平轉(zhuǎn)換器的電壓輸出信號轉(zhuǎn)換為電流信號。由于該電路的唯一作用是轉(zhuǎn)換，故可以不考慮VTH。接下來，通過I/V轉(zhuǎn)換器為電壓信號，在V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出的VB到VS供應(yīng)范圍之內(nèi)轉(zhuǎn)移。在這些過程之后，經(jīng)放大的信號被送到S-R觸發(fā)器。因?yàn)椴捎昧薞/I轉(zhuǎn)換器，允許的負(fù)VS電壓不再由整流器的閾值電平VTH所控制。只要VB電壓足以滿足V/I轉(zhuǎn)換器的電壓要求，并使電平轉(zhuǎn)換器工作，HIN輸入就不

11、會丟失。V/I 和I/V轉(zhuǎn)換的另一個優(yōu)點(diǎn)是很容易檢測噪聲，并易于與噪聲消除電路連接。由于高dv/dt噪聲是經(jīng)由CBOOT加在VB線上，故噪聲通常被加載于與VB線相連的所有元件上。于是，對具有高dv/dt的共模噪聲而言，V/I轉(zhuǎn)換器會提供相同的輸出。但V/I轉(zhuǎn)換器正常工作時的輸出各不相同，在電平轉(zhuǎn)換器正常工作狀態(tài)下，兩個LDMOS中只有一個在工作。這樣，要確定V/I轉(zhuǎn)換器輸出是否由噪聲引起就不困難了。噪聲消除器一旦識別是共模噪聲，就會吸收掉V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出。由于獨(dú)特的拓?fù)浼夹g(shù)，飛兆半導(dǎo)體的HVIC表現(xiàn)出對高達(dá)每納秒50V （dv/dt）噪聲的良好抗擾性，并擴(kuò)展的負(fù)電壓工作范圍。當(dāng)VBS=V

12、CC=15V時，本文提出的方法可以確保大約 10V的工作電壓。圖5所示為飛兆半導(dǎo)體兩個新HVIC的微縮照片：FAN7380和 FAN7382，都采用了HDG4工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。五、穩(wěn)固性HVIC一般會用來驅(qū)動高電壓和大電流開關(guān)器件。由此產(chǎn)生的高電壓峰值、噪聲和EMI都可能造成HVIC故障，有時會導(dǎo)致完全毀壞。因此，考慮到HVIC的實(shí)際使用時，穩(wěn)固性是一個關(guān)鍵問題。為了測試所設(shè)計(jì)HVIC的穩(wěn)固性，利用HP8114A的脈沖發(fā)生器把正脈動噪聲連續(xù)加于VBS上，以及負(fù)脈沖加于VB線上。在測試期間，VBS 恒定偏置為15V。測試通過改變HP8114A可編程脈沖發(fā)生器由0V到80V的輸出來進(jìn)行。HVIC對加載

13、噪聲功率的響應(yīng)可分為以下四類：1、正常工作：HVIC由用戶指令所控制正常工作。2、非正常工作：HVIC在半噪聲峰值時忽略及遺漏輸入指令。對于高噪聲峰值，HVIC輸出固定在低電平。3、鎖定狀態(tài)工作：HVIC輸出固定在低電平，有較大電流流向HVIC。但是，如果降低所加噪聲功率，HVIC將恢復(fù)并正常工作。4、毀壞：HVIC遭永久性破壞。HVIC永不能恢復(fù)；在最壞的情況中，封裝更會破裂或爆炸。圖6所示的FAN7380 和 FAN7382在高壓峰值下的非正常工作。不過，測試樣片未被破壞，也沒有下降到鎖定狀態(tài)。這表明該兩個器件對高能量脈動噪聲具有穩(wěn)健的抗擾性能。六、結(jié)束語本文介紹了以創(chuàng)新技術(shù)為基礎(chǔ)的HVIC，其設(shè)計(jì)具有良好的噪聲抗擾性，并擴(kuò)展了允