-一種雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片的設(shè)計(jì)

西安郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要緒論本章主要介紹了負(fù)載開關(guān)的研究背景及意義，對(duì)負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用狀況作了簡單介紹，然后對(duì)國內(nèi)外負(fù)載開關(guān)研究現(xiàn)狀作了簡要分析，最后結(jié)合本論文完成的主要工作，對(duì)論文的主要工作內(nèi)容和章節(jié)安排進(jìn)行介紹。1.1負(fù)載開關(guān)的研究背景及意義近些年，隨著可穿戴電子設(shè)備、5G手機(jī)以及人工智能等新一代智能化電子產(chǎn)品的快速問世，使得電源需求逐漸趨向于高度復(fù)雜和多功能化發(fā)展,電子產(chǎn)品對(duì)輕小型便攜式電池提供電能設(shè)備的高效需求也逐步上升,相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)受歡迎程度也隨之急劇上升,因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員即使是在最小的設(shè)備中也能實(shí)現(xiàn)高能效、高精密的電源管理方案[1-3]。從負(fù)載開關(guān)基本電路組成角度出發(fā)，可以知道負(fù)載開關(guān)最突出的優(yōu)勢為結(jié)構(gòu)簡單，劣勢是缺少相應(yīng)的過熱保護(hù)、輸出短路等保護(hù)功能，一旦出現(xiàn)負(fù)載端路，或是相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)受到損壞，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置以及系統(tǒng)失穩(wěn)不能正常運(yùn)行。最近幾年，電源設(shè)計(jì)人員相繼開發(fā)出多款集成式負(fù)載開關(guān)，使得性能不僅增強(qiáng)、還穩(wěn)固了負(fù)載開關(guān)的工作可靠性[4-6]。集成負(fù)載開關(guān)是可用于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)中電源軌的電子繼電器[7]。負(fù)載開關(guān)為系統(tǒng)帶來許多優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能[8]。負(fù)載開關(guān)可用于多種不同的應(yīng)用[9-11]，例如①在安全保護(hù)方面：引入了相應(yīng)的熱關(guān)斷電路。一旦出現(xiàn)局部短路的狀況，負(fù)載開關(guān)內(nèi)部的管芯溫度便會(huì)超出過熱閾值（如125℃），相應(yīng)的熱關(guān)斷電路便會(huì)啟動(dòng)工作切斷負(fù)載開關(guān)。此時(shí)，不僅能夠避免負(fù)載燒毀，還能確保其他電路正常進(jìn)行供電。當(dāng)過熱故障產(chǎn)生時(shí)，負(fù)載開關(guān)還會(huì)反饋出相應(yīng)的故障信號(hào)（給微處理器）告警故障發(fā)生。此外還具備一定的輸入欠壓鎖存保護(hù)功效。②過流保護(hù)：引入額外的限流電路到負(fù)載開關(guān)當(dāng)中。具備限流輸出形式的負(fù)載開關(guān)，一方面可以有效提升可靠性，另一方面還能確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，除此之外，還可應(yīng)用到功率分配開關(guān)、熱插拔插座以及USB端口當(dāng)中。有些負(fù)載開關(guān)在發(fā)生過流的同時(shí)還具備輸出鎖存功能，這種情況可認(rèn)為其充當(dāng)“電子保險(xiǎn)絲”的功效，一旦完成過流故障排查后，只需重啟即可恢復(fù)運(yùn)行。③浪涌電流控制：在沒有任何轉(zhuǎn)換率控制的情況下開啟子系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)由于負(fù)載電容快速充電產(chǎn)生浪涌電流而導(dǎo)致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統(tǒng)供電，因此這便會(huì)引發(fā)系統(tǒng)失效等問題。負(fù)載開關(guān)可以通過控制輸出電壓的上升時(shí)間來消除輸入軌的下陷。此外，在一些應(yīng)用中，可將一些暫時(shí)不用的電路關(guān)閉(如DC/DC轉(zhuǎn)換器、LDO等模塊)并將其置于待機(jī)模式，但即使處于關(guān)斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對(duì)較高。此時(shí)，在負(fù)載前面放置一個(gè)負(fù)載開關(guān)可顯著減小漏電流[12]。因此，在電源管理及負(fù)載保護(hù)產(chǎn)品中對(duì)負(fù)載開關(guān)的研究具有非常重要的意義[13]。負(fù)載開關(guān)的主要功能是連接或斷開電源和負(fù)載，提供相對(duì)較為簡便的開關(guān)控制以及保護(hù)功能。除此之外，負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通速率還可基于輸出電壓進(jìn)行控制，通過控制場效應(yīng)晶體管（FET）柵極的充電，在輸出電壓的上升時(shí)間控制浪涌電流，以此對(duì)輸入電壓形成浪涌保護(hù)[14]。近年來，電源需求正逐漸向高度復(fù)雜，高度集成化的趨勢發(fā)展，對(duì)輕小型便攜式電池提供電能設(shè)備的高效需求也逐步上升,同時(shí)負(fù)載開關(guān)受歡迎程度也急劇上升[15]。因此，本文以對(duì)適用于新型便攜式電子設(shè)備的電源管理和負(fù)載保護(hù)產(chǎn)品為主要研究背景，從過壓保護(hù)、浪涌保護(hù)及反向電壓阻斷功能等方面展開，設(shè)計(jì)一款針對(duì)大電流產(chǎn)品應(yīng)用的負(fù)載開關(guān)，從功能需求及產(chǎn)品定義的角度出發(fā)，完成了芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、子模塊電路設(shè)計(jì)以及仿真驗(yàn)證工作。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀當(dāng)前，國外存在許多半導(dǎo)體廠商進(jìn)行多功能負(fù)載開關(guān)的開發(fā)與研制，例如TI、ONsemiconductor（安森美）、FairchildSemiconducto（仙童半導(dǎo)體）、DiodesIncorporated、MaximIntegrated（美信）、NXP（恩智浦），像日本的半導(dǎo)體公司TOSHIBA以及全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司Infineon（英飛凌）等，都存在負(fù)載開關(guān)類產(chǎn)品的研發(fā)與銷售。這里簡單的介紹一些半導(dǎo)體公司的代表性負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品。像NCP（安森美）的開關(guān)電池充電器NCP185x系列，充電電壓范圍3.3V-4.5V，可支持反向USBOTG和快充模式，在內(nèi)部集成過壓閉鎖和過壓保護(hù)等功能；為大電流系統(tǒng)和負(fù)載提供全面保護(hù)的輸入電壓范圍為1.8V到5.5VFPF2000-FPF2007系列負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品；以及為需要1.8V至8V輸入和2.5A輸出電流能力的便攜式電子設(shè)備提供緊湊型功率管理研發(fā)的集成式FDC632xx系列負(fù)載開關(guān)。TI公司的具有快速輸出放電和導(dǎo)通引腳滯后功能的3.6V，1A，63mΩTPS22934-型負(fù)載開關(guān)[16]；具有反向電流保護(hù)的超小型3ATPS22930A-型負(fù)載開關(guān)；具有可調(diào)上升時(shí)間和快速輸出放電（QOD）功能的5.5V、6A、14mΩTPS22976-型雙路負(fù)載開關(guān)；具有快速輸出放電和導(dǎo)通引腳滯后功能的3.6V，0.5A，55mΩTPS22932B-型負(fù)載開關(guān)；和具有控制啟動(dòng)功能的小型、超低導(dǎo)通電阻的TPS22963C-型負(fù)載開關(guān)。NXP（恩智浦）公司推出的適用于USBType-C和PD應(yīng)用的NX30P6093型負(fù)載開關(guān)，它是一款8AI2C（兩線雙向總線控制）控制過壓保護(hù)負(fù)載開關(guān)。該款負(fù)載開關(guān)工作電壓為2.8V至20.0V，它包括欠壓鎖定、過壓鎖定和過溫保護(hù)電路，用于在發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)隔離電源開關(guān)終端。該產(chǎn)品具備輸入引腳阻抗檢測功能，向系統(tǒng)提供USB電源引腳狀態(tài)，避免對(duì)Type-C端口電源引腳造成短路損害。日本TOSHIBA（東芝）公司推出的TCK321G、TCK322G、TCK323G系列負(fù)載開關(guān)，具有36V高輸入電壓以及2A的大電流輸出特性，適用于電池充電、智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備以及其它具有多種充電選項(xiàng)的移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用[17]。ADI（亞德諾半導(dǎo)體）公司推出的高端負(fù)載開關(guān)ADP197，工作電壓范圍1.8V到5.5V，它能提供電源隔離，幫助延長電源使用壽命。該器件內(nèi)部添加了一個(gè)低導(dǎo)通電阻的N溝道MOSFET，可支持超過3安培的連續(xù)電流，該款負(fù)載開管非常適合于電池供電的便攜式充電設(shè)備。此外，F(xiàn)AIRCHILD（仙童半導(dǎo)體）公司、ANALOGICTECH（研諾半導(dǎo)體）公司和MICREL（麥瑞半導(dǎo)體）等多家公司也都相繼開發(fā)出多種新型負(fù)載開關(guān)。這些公司研究的負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品主要集中在小電流低電壓負(fù)載的應(yīng)用，大部分工作電壓為1.2V~5.5V，只有少數(shù)工作電壓為3V~13V。如果要求工作電壓18V~36V，工作電流≧5A，則較難找到合適的現(xiàn)成產(chǎn)品。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國在電源IC管理和負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)領(lǐng)域著名的企業(yè)并不是很多，像臺(tái)灣的RichTek半導(dǎo)體公司在做LDO，LED驅(qū)動(dòng)器和具有限流保護(hù)功能的功率開關(guān)；上海貝嶺公司在做廣泛應(yīng)用于音頻和數(shù)據(jù)切換的負(fù)載開關(guān)；北京的SGMICRO（圣邦微電子）半導(dǎo)體公司在做模擬集成電路的研發(fā)和銷售，其中也有類似SGM2554系列的限流保護(hù)負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品的推出；以及上海韋爾半導(dǎo)體的WS46XXX系列，主要針對(duì)USB充電設(shè)備保護(hù)應(yīng)用，工作電壓為2.5V~5.5V的多功能保護(hù)負(fù)載開關(guān)。這些公司的負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品各有側(cè)重，主要取決于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。目前，我國在高端集成式負(fù)載開關(guān)類型的產(chǎn)品還不是很多，市場上大都以傳統(tǒng)的功率開關(guān)為主。為此，本課題擬研究和設(shè)計(jì)一款具有雙輸入功能的雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片。該芯片的輸入引腳可支持高達(dá)20V的直流工作輸入電壓，可承受的耐壓值最大為直流28V，從輸入引腳到輸出引腳的連續(xù)工作電流最大可達(dá)5A。同時(shí)該芯片還具有集成的高速輸入過壓保護(hù)功能，在導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)期間發(fā)生浪涌事件時(shí)可確保其安全工作。1.3論文主要工作和章節(jié)安排本論文的主要工作是基于BCD工藝設(shè)計(jì)了一款雙向大電流的負(fù)載開關(guān)芯片，論文的作者主要負(fù)責(zé)芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝選型、模擬電路部分設(shè)計(jì)與整體電路的仿真驗(yàn)證工作。論文的主要內(nèi)容和各章節(jié)安排如下：第1章為緒論，主要闡述了本課題的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了由于新一代智能化便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)電源管理芯片的要求更高，進(jìn)而對(duì)負(fù)載開關(guān)的需求也越來越強(qiáng)烈，然后介紹了當(dāng)前國內(nèi)外一些著名的集成電路設(shè)計(jì)公司的代表性負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品；最后根據(jù)市場需求和應(yīng)用，提出本文設(shè)計(jì)的雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片，并給出本文設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片的特點(diǎn)。第2章為負(fù)載開關(guān)介紹，主要介紹了負(fù)載開關(guān)的基本原理及功能作用；首先給出了基本負(fù)載開關(guān)的框圖和原理介紹，接著給出了負(fù)載開關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和在設(shè)計(jì)負(fù)載開關(guān)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)及規(guī)范。第3章為雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片的整體設(shè)計(jì)，在分析傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了芯片設(shè)計(jì)框圖和指標(biāo)，然后對(duì)模擬集成電路的工藝做了簡單介紹，重點(diǎn)分析了針對(duì)本文設(shè)計(jì)所使用的BCD工藝。第4章為雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片的子模塊電路設(shè)計(jì)，以第3章的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路為指導(dǎo)，對(duì)各個(gè)子模塊電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并給出仿真結(jié)果。第5章為整體仿真電路驗(yàn)證，搭建了負(fù)載開關(guān)芯片的整體仿真框圖，對(duì)主要的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。第6章是總結(jié)和展望，一方面對(duì)自己的研究內(nèi)容進(jìn)行了一個(gè)總結(jié)，另一方面對(duì)自己的研究指出不足之處，并進(jìn)一步對(duì)未來負(fù)載開關(guān)的發(fā)展作了展望。

負(fù)載開關(guān)介紹本章主要對(duì)負(fù)載開關(guān)的原理做了一定介紹，給出了負(fù)載開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)，基于傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)框圖分析了負(fù)載開關(guān)的基本組成模塊，介紹了負(fù)載開關(guān)在電路保護(hù)和電源管理中的功能作用，最后給出了負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)要求和注意事項(xiàng)。2.1負(fù)載開關(guān)的基本原理負(fù)載開關(guān)是可用于開啟和關(guān)閉電源軌的集成電子繼電器。負(fù)載開關(guān)為系統(tǒng)帶來許多其它優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能。負(fù)載開關(guān)一般是由輸入電壓引腳、輸出電壓引腳、使能引腳以及接地引腳四個(gè)部分組成。如圖2.1所示。當(dāng)設(shè)備憑借ON引腳啟動(dòng)，通過FET（場效應(yīng)晶體管）打開，電路中電流即可從輸入流向輸出引腳，依次將電能傳送到下游電路。圖2.1傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)電路圖從傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)電路圖來看，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡單，以最簡單的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的保護(hù)；缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)較為單一，不具備過熱保護(hù)等功能。一旦出現(xiàn)短路，不僅相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)會(huì)受到損壞，而且會(huì)造成電源過載，導(dǎo)致整個(gè)裝置以及系統(tǒng)失穩(wěn)不能正常運(yùn)行。最近幾年，電源IC設(shè)計(jì)工程師針對(duì)不同應(yīng)用場景和電子設(shè)備，在傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了相應(yīng)功能模塊的集成，不僅增強(qiáng)了負(fù)載開關(guān)的性能、還穩(wěn)固了可靠性。下圖2.2是多功能集成負(fù)載開關(guān)的基本框圖。圖2.2集成負(fù)載開關(guān)基本框圖從圖中可以看出，該負(fù)載開關(guān)共包括八個(gè)模塊。它們分別是導(dǎo)通FET、驅(qū)動(dòng)模塊、邏輯控制模塊、電荷泵、反向電流保護(hù)、限流模塊、熱關(guān)斷以及快速輸出放電模塊。1.導(dǎo)通FET是負(fù)載開關(guān)的主要元件，它決定了負(fù)載開關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負(fù)載電流。負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通電阻是導(dǎo)通FET的特性，將用于計(jì)算負(fù)載開關(guān)的功耗。導(dǎo)通FET既可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET，采用何種導(dǎo)通FET將直接決定負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)。2.柵極驅(qū)動(dòng)器以控制方式對(duì)導(dǎo)通FET的柵極進(jìn)行充放電，從而控制器件的上升時(shí)間。3.邏輯控制模塊由外部邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)。它控制了導(dǎo)通FET和其它模塊，如快速輸出放電模塊、電荷泵以及帶保護(hù)功能模塊的接通和關(guān)斷。4.并非所有負(fù)載開關(guān)中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N溝道FET的負(fù)載開關(guān)，因?yàn)闁艠O和源極間需要有正差分電壓才能正確接通FET。5.高反向偏置電壓的產(chǎn)生是導(dǎo)致反向電流的根本原因；電流走向改變?yōu)檩敵龅捷斎攵?。反向電流有可能損壞內(nèi)部電路和電池等電源，因此為了避免這種情況的發(fā)生，需要在芯片內(nèi)集成反向電流保護(hù)功能。6.在電子設(shè)備的使用過程中，一旦負(fù)載出現(xiàn)異常，流過的電流便瞬間增大，這種瞬態(tài)大電流可能會(huì)燒毀電路。所以需要在電路中加入限流電路，當(dāng)負(fù)載開關(guān)電流達(dá)到限流值時(shí)，芯片會(huì)在恒流模式下工作，以防止過量電流造成器件失效。7.高壓功率輸出電路會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生一定的熱量，芯片過熱一方面會(huì)增加額外損耗，另一方面還會(huì)造成電路失效。所以為了避免這種情況的發(fā)生，需要在負(fù)載開關(guān)IC中對(duì)熱關(guān)斷電路進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，一旦芯片溫度達(dá)到閾值溫度值，電路自行輸出熱關(guān)斷信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過溫保護(hù)；當(dāng)芯片溫度低于閾值溫度后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。8.快速輸出放電模塊是一個(gè)連接輸出到地的片上電阻，當(dāng)通過ON引腳禁用器件時(shí)，該電阻導(dǎo)通。這將對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放電，從而防止輸出端浮空。對(duì)于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當(dāng)輸入電壓和偏置電壓處于工作范圍內(nèi)時(shí)，此功能才有效。2.2負(fù)載開關(guān)的功能作用1.配電：許多電源對(duì)子系統(tǒng)配電的控制有限。這時(shí)可使用負(fù)載開關(guān)來接通和關(guān)斷輸入電壓相同的子系統(tǒng)，而避免重復(fù)使用多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO。在使用負(fù)載開關(guān)后，可通過對(duì)各個(gè)負(fù)載的控制在不同負(fù)載間進(jìn)行配電，大大簡化電路，提高工作效率。如圖2.3所示。圖2.3負(fù)載開關(guān)配電框圖2.上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在一些帶有處理器的系統(tǒng)中，必須遵循嚴(yán)格的上電時(shí)序。負(fù)載開關(guān)可提供每個(gè)電源路徑的獨(dú)立控制，從而簡化上電排序的負(fù)載點(diǎn)控制，如圖2.4所示。圖2.4使用負(fù)載開關(guān)的上電排序3.低漏電流：在許多設(shè)計(jì)中，存在只在特定工作模式期間使用的子系統(tǒng)。可以使用負(fù)載開關(guān)關(guān)閉這些子系統(tǒng)的電源來限制漏電流量和功耗。在一些應(yīng)用中，可禁用DC/DC轉(zhuǎn)換器、LDO等模塊并將其置于待機(jī)模式。但即使是處于關(guān)斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對(duì)較高。這時(shí)在負(fù)載前面放置一個(gè)負(fù)載開關(guān)可顯著減小漏電流和功耗。圖2.5顯示了使用和不使用負(fù)載開關(guān)時(shí)的漏電流對(duì)比情況。圖2.5使用和未使用負(fù)載開關(guān)時(shí)的漏電流情況對(duì)比4.斷電控制：當(dāng)不帶快速輸出放電功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO關(guān)閉時(shí)，負(fù)載電壓保持浮空，斷電取決于負(fù)載，如圖2.6所示。這可能導(dǎo)致出現(xiàn)預(yù)想外的動(dòng)作，因?yàn)橄掠文K并未在斷電后到達(dá)指定狀態(tài)。圖2.6未使用負(fù)載開關(guān)時(shí)的不受控?cái)嚯娛褂脦Э焖佥敵龇烹姽δ艿呢?fù)載開關(guān)可緩解這些問題。負(fù)載將以受控方式快速斷電，并將復(fù)位為已知的良好狀態(tài)以備下次上電，如圖2.7所示。圖2.7使用負(fù)載開關(guān)時(shí)的受控?cái)嚯?.浪涌電流控制：在沒有任何轉(zhuǎn)換率控制的情況下開啟子系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)由于負(fù)載電容快速充電產(chǎn)生浪涌電流而導(dǎo)致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統(tǒng)供電，因此這會(huì)引發(fā)器件失效等問題。負(fù)載開關(guān)可以通過控制輸出電壓的上升時(shí)間來消除輸入電壓的下陷，從而解決此問題。6.某些應(yīng)用可能需要負(fù)載開關(guān)中集成故障保護(hù)功能。一些負(fù)載開關(guān)包括反向電流保護(hù)、ON引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過熱保護(hù)等集成功能。與通過離散元件實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜電路不同，使用集成負(fù)載開關(guān)可減少物料清單數(shù)量（BOM）、減小解決方案尺寸并縮短開發(fā)時(shí)間。下面簡要介紹了其中一些功能：反向電流保護(hù)功能將阻止電流從VOUT引腳流向VIN引腳。如果沒有此功能，當(dāng)二極管壓降導(dǎo)致VOUT上的電壓高于VIN上的電壓時(shí)，電流可能從VOUT引腳流向VIN引腳。因此，反向電流阻斷可使某些應(yīng)用獲益，如電流不應(yīng)從VOUT流向VIN的電源多路復(fù)用器應(yīng)用。有許多不同的方法可實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)。在某些情況下，器件將監(jiān)視VIN引腳和VOUT引腳上的電壓。當(dāng)此差分電壓超出特定閾值時(shí)，開關(guān)將被禁用，同時(shí)體二極管斷開以防止出現(xiàn)流向VIN的反向電流。某些器件只有在被禁用時(shí)才具有反向電流保護(hù)功能。ON引腳滯后功能可使GPIO使能更穩(wěn)定。由于ON引腳上存在邏輯高電平與邏輯低電平的電壓差，即使GPIO線上出現(xiàn)噪聲，控制電路也將按預(yù)期工作。限流功能將限制負(fù)載開關(guān)輸出的電流量。這將確保外部電路不會(huì)拉過量的電流。如果電流不受限制，外部電路可能會(huì)使主系統(tǒng)停止工作。在限流模式下，負(fù)載開關(guān)提供連續(xù)電流，直至開關(guān)電流降至電流限值以下。欠壓鎖定(UVLO)用于在VIN電壓降至閾值以下時(shí)關(guān)閉器件，以確保下游電路不會(huì)因?yàn)楣╇婋妷旱陀陬A(yù)期值而損壞。過熱保護(hù)功能可在器件溫度超出閾值溫度時(shí)禁用開關(guān)。憑借此功能，器件可用作在檢測到高溫時(shí)關(guān)斷的安全開關(guān)。7.使用集成負(fù)載開關(guān)可減少系統(tǒng)的BOM數(shù)量和PCB面積。如果有離散FET與其它元件配合使用，則可以考慮使用負(fù)載開關(guān)來減少系統(tǒng)中的元件總數(shù)。分離創(chuàng)建負(fù)載開關(guān)時(shí)，將需要多個(gè)電阻、電容和晶體管來實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器、控制邏輯、輸出放電和保護(hù)功能。而采用集成負(fù)載開關(guān)，只需單個(gè)器件便可實(shí)現(xiàn)全部功能，從而顯著降低BOM數(shù)量。2.3負(fù)載開關(guān)的器件選擇和設(shè)計(jì)指標(biāo)1.NMOS與PMOS的選用在NMOS器件中，通過使柵極電壓高于源極電壓來使導(dǎo)通FET接通。通常，源極電壓與輸入端處于相同電勢。要使柵極和源極間產(chǎn)生上述電壓差，需要一個(gè)電荷泵。使用電荷泵將增大器件的靜態(tài)電流。在PMOS器件中，通過使柵極電壓低于源極電壓來使導(dǎo)通FET接通。PMOS器件的架構(gòu)則無需電荷泵，因此其靜態(tài)電流比NMOS器件的靜態(tài)電流低。使用PMOS架構(gòu)與使用NMOS架構(gòu)的一個(gè)主要差別是，使用PMOS架構(gòu)設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)在低電壓下性能欠佳，而NMOS器件在低輸入電壓應(yīng)用中性能良好。因此，在高壓應(yīng)用中的開關(guān)通路設(shè)計(jì)多采用N型MOSFET做功率開關(guān)管，這樣可以有效降低導(dǎo)通電阻從而降低導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RON)導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RON)是一個(gè)極為重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了負(fù)載開關(guān)的壓降和功耗。RON越大，負(fù)載開關(guān)的壓降越大，功耗越高。電壓(VIN)和電流(IMAX)額定值決定使用哪種負(fù)載開關(guān)時(shí)的重要考慮因素之一是應(yīng)用所需的電壓和電流。負(fù)載開關(guān)必須能夠支持穩(wěn)態(tài)工作期間所需的直流電壓和電流，以及瞬變電壓和峰值電流。需要注意的是，一些負(fù)載開關(guān)需要偏置電壓來開啟器件和偏置內(nèi)部電路，此偏置電壓與輸入電壓無關(guān)。所以在設(shè)計(jì)負(fù)載開關(guān)時(shí)，對(duì)輸入最大電壓和最大電流值得計(jì)算極為重要。關(guān)斷電流(ISD)和靜態(tài)電流(IQ)靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)接通時(shí)消耗的電流。除功率損耗外，靜態(tài)電流還將決定負(fù)載開關(guān)接通時(shí)的功耗量。如果負(fù)載電流足夠大，則靜態(tài)電流引起的功耗可忽略不計(jì)。關(guān)斷電流決定了負(fù)載開關(guān)通過ON引腳被禁用時(shí)的功耗量。使用負(fù)載開關(guān)切斷子系統(tǒng)電源可顯著降低電源軌的待機(jī)功耗?？焖佥敵龇烹娨恍┴?fù)載開關(guān)具有內(nèi)部電阻，該電阻會(huì)在開關(guān)關(guān)斷時(shí)將輸出拉至地，以避免輸出浮空。要使快速輸出放電功能起作用，輸入電壓引腳上的電壓需處于工作范圍內(nèi)。快速輸出放電功能有諸多好處，例如：①輸出不會(huì)浮空并且始終處于已確定狀態(tài)。②下游模塊始終完全關(guān)閉。不過，仍有應(yīng)用無法從快速輸出放電功能中受益。③如若負(fù)載開關(guān)輸出端和相應(yīng)的電池連接，憑借ON引腳停止負(fù)載開關(guān)工作時(shí)，快速輸出放電便會(huì)造成電池電量耗盡。④如果兩個(gè)負(fù)載開關(guān)用作雙輸入單輸出多路復(fù)用器，則負(fù)載開關(guān)無法提供快速輸出放電功能。否則，快速輸出放電期間將持續(xù)浪費(fèi)電能，因?yàn)橹灰ㄟ^ON引腳禁用負(fù)載開關(guān)，電流就會(huì)通過內(nèi)部電阻流向地。上升時(shí)間上升時(shí)間因器件而異。上升時(shí)間可能需要較短，也可能較長，具體取決于應(yīng)用。此外，浪涌電流與上升時(shí)間成反比。輸入和輸出電容在負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中，放置輸入電容，目的是為了限制進(jìn)入電容的瞬變浪涌電流所造成的壓降，通常在輸入和地之間靠近輸入端的位置放置1μF的電容。使用較大的電容將降低大電流應(yīng)用期間的壓降。但并非所有負(fù)載開關(guān)都需要放置電容，因?yàn)樵谝瞥娫磿r(shí)，輸出端和地之間的總輸出電容可能會(huì)使輸出上的電壓超過輸入上的電壓，對(duì)于不具備反向電路保護(hù)功能的器件，這種情況會(huì)導(dǎo)致電流從輸出端經(jīng)導(dǎo)通FET中的體二極管流向輸入端，由此造成負(fù)載開關(guān)損壞現(xiàn)象。為防止出現(xiàn)這種情況，一般選擇輸入電容和負(fù)載電容為10:1的比值。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了負(fù)載開關(guān)的基本原理和功能作用，以及在設(shè)計(jì)負(fù)載開關(guān)時(shí)應(yīng)注意的重要指標(biāo)參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)范。首先基于負(fù)載開關(guān)電路結(jié)構(gòu)對(duì)其相關(guān)原理進(jìn)行了簡明概述，然后結(jié)合目前的多功能集成式負(fù)載開關(guān)系統(tǒng)框圖，簡單介紹集成式負(fù)載開關(guān)的模塊以及設(shè)計(jì)方法。第3章負(fù)載開關(guān)芯片的整體設(shè)計(jì)第3章負(fù)載開關(guān)芯片的整體設(shè)計(jì)本章主要基于上一章負(fù)載開關(guān)的基本原理和設(shè)計(jì)方法，在分析傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)后，對(duì)本文提出的雙向大電流負(fù)載開關(guān)芯片進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，給出了本文設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片應(yīng)該滿足的各項(xiàng)電氣特性指標(biāo)和參數(shù)，最后對(duì)負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)中用到的工藝技術(shù)做了簡要介紹。3.1負(fù)載開關(guān)芯片的整體設(shè)計(jì)要求根據(jù)前面對(duì)負(fù)載開關(guān)的介紹，可以看到負(fù)載開關(guān)在電路中將電源隔離同時(shí)提供對(duì)負(fù)載的保護(hù)，但傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)功能較為單一，在電路中僅實(shí)現(xiàn)基本的通斷功能；多功能集成式負(fù)載開關(guān)與其相比除了具備傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)基本的通斷功能外，還根據(jù)不同的應(yīng)用集成了更多的功能，使得其可以廣泛應(yīng)用于便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品。為此，本文設(shè)計(jì)了一款雙向大電流的負(fù)載開關(guān)芯片，該款負(fù)載開關(guān)芯片具有寬輸入電壓范圍、大輸出電流和低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)?？商峁┹斎脒^壓保護(hù)和浪涌保護(hù)，在導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)期間發(fā)生浪涌事件時(shí)可確保系統(tǒng)安全工作。同時(shí)，該芯片還具有欠壓鎖定、和過溫保護(hù)電路，用于在發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)隔離電源開關(guān)。此外，該芯片可支持OTG（On-The-Go）數(shù)據(jù)傳輸功能，其正向有線充電模式從VIN輸出到OUT，反向OTG數(shù)據(jù)傳輸模式從OUT輸出到VIN，可實(shí)現(xiàn)雙輸入。3.1.1應(yīng)用領(lǐng)域（1）智能手機(jī)、手持設(shè)備；（2）USBType-C接口雙向供電設(shè)備；（3）多電源接口的平板電腦、筆記本電腦等。3.1.2主要特性（1）直流輸入電壓工作范圍：3.0V~20V；（2）導(dǎo)通電阻：<35m?;（3）靜態(tài)電流：<200μA;（4）最大輸出電流：5A；（5）工作溫度范圍：-40℃~+85℃；（6）軟啟動(dòng)功能；（7）輸入過壓保護(hù)功能；（8）欠壓鎖存保護(hù)功能；（9）過溫保護(hù)功能；（10）符合IEC6100-4-5的100V浪涌保護(hù)；（11）OTG數(shù)據(jù)傳輸功能。3.1.3芯片管腳定義及封裝首先對(duì)芯片各管腳進(jìn)行定義，使之滿足設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，對(duì)其封裝形式進(jìn)行確定，具體的管腳定義詳情如表3.1所示。表3.1本文所設(shè)計(jì)芯片的管腳定義及功能描述管腳位號(hào)管腳名稱功能描述1VIN負(fù)載開關(guān)外部電壓輸入2EN使能控制信號(hào)（不允許懸空）3VIN_SNS用來鉗位引腳VIN上的電壓4GND地信號(hào)5SS軟啟動(dòng)控制6FLAG_NOTG使能輸入/輸出7RX_N無線接收器控制信號(hào)8VOUT負(fù)載開關(guān)電壓輸出所設(shè)計(jì)負(fù)載開關(guān)芯片采用標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝形式，如圖3.1所示。圖3.1負(fù)載開關(guān)芯片的封裝圖3.1.4芯片的電氣特性指標(biāo)根據(jù)所設(shè)計(jì)芯片的功能需求，我們對(duì)芯片的電特性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了如下設(shè)定。（1）最大額定值最大額定值代表芯片工作過程中所能承受的極限值，一旦超越最大額定值會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。表3.2列出了芯片能許用最大額定載荷值。表3.2所設(shè)計(jì)芯片的最大額定值符號(hào)定義絕對(duì)最大額定值單位VIN輸入電壓-0.3~28VVIN_SNS直流工作電壓-0.3~20VVOUT輸出電壓-0.3~20VIOUT輸出電流3AVEN使能管腳的電壓-0.3~6VVFLAG_NFLAG_N引腳控制電壓-0.3~6VVRX_NRX_N引腳控制電壓-0.3~6VTSTG儲(chǔ)存溫度-65~150℃TJ結(jié)溫150℃ESDHBMESD耐壓(人體模型)2.5KVESDCDMESD耐壓（器件模型）1KV（2）主要電特性指標(biāo)電氣性能指標(biāo)參數(shù)如下表3-3所示，在未有特殊注明情況下，這些參數(shù)適用的條件為：VIN=5V，CIN=1μF，COUT=1μF，CVIN_SNS=1μF，VEN=0V，TA=+25℃。表3.3芯片的主要電特性指標(biāo)符號(hào)定義測試條件最小值典型值最大值單位VIN輸入電壓-3-20VIQ靜態(tài)電流VIN=5VVEN=VINIOUT=0A-110200μARON導(dǎo)通電阻VIN=5VVEN=VINIOUT=1A-2335m?RDIS_VIN輸入端放電電阻快速放電狀態(tài)-500-?IOUTIOUT，IOTG輸出電流-±5-AVENH使能高電平VIN=5V1.4-5.5VVENL使能低電平VIN=5V0-0.4VVLK_VIN輸入到輸出漏電壓VIN=28V開關(guān)未導(dǎo)通輸出不接負(fù)載--0.4VVLK_VOUT輸出到輸入漏電壓VOUT=16V開關(guān)未導(dǎo)通輸入不接負(fù)載--0.4VVUVLO_VIN輸入欠壓鎖定閾值上升2.52.83.0V下降2.42.62.8VUVLO_OUT輸出欠壓鎖定閾值上升2.52.83.0V下降2.42.62.8VUVLO_HYS欠壓鎖定遲滯-200-mVVOVP_HYS過壓保護(hù)遲滯-2-VTSNS啟動(dòng)時(shí)間VIN=5VVIN_SNS從0到4.5V空載狀態(tài)-450-μsTSD過溫關(guān)斷閾值-150-℃TSDHYS過溫關(guān)斷遲滯-30-℃3.1.5系統(tǒng)框圖及功能描述圖3.2負(fù)載開關(guān)芯片的系統(tǒng)框圖從圖3.2負(fù)載開關(guān)芯片的系統(tǒng)框圖可以看出，所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片主要由內(nèi)部電源、過壓保護(hù)、欠壓鎖定、過溫保護(hù)、浪涌保護(hù)、以及邏輯控制和驅(qū)動(dòng)等模塊組成。下面分別對(duì)這些主要模塊進(jìn)行詳細(xì)描述。主要模塊描述內(nèi)部供電與帶隙基準(zhǔn)模塊：給負(fù)載開關(guān)芯片內(nèi)部其他低壓模塊提供的供電電壓，由于本文所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片是一種數(shù)模混合集成電路，此類電路的特點(diǎn)是需要多種電壓值的電源供電，以滿足不同的性能要求，所以在芯片中設(shè)計(jì)內(nèi)部電源，為其他模塊供電。帶隙基準(zhǔn)電路為EN,OTP等模擬電路提供參考電壓。過壓保護(hù)模塊：在使用電子設(shè)備時(shí)，一旦操作失誤，使輸入電壓高于額定電壓值時(shí)，負(fù)載開關(guān)芯片馬上就會(huì)燒壞，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因此在電源的輸入端到芯片的供電輸入端，有必要添加一個(gè)過壓保護(hù)電路。當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定值時(shí)，就切斷電源輸入，保護(hù)芯片不被燒壞。本文設(shè)計(jì)的過壓保護(hù)電路為下游電路提供保護(hù)，使其免受過高輸入電壓而造成的損壞。欠壓鎖定模塊：在使用過程中，由于誤操作使得輸入電壓低于芯片工作電壓值時(shí)，電源芯片不工作，處于失效狀態(tài)。為了避免這種情況的發(fā)生，需要加入欠壓鎖定電路。欠壓鎖定是一種保護(hù)模式，即當(dāng)輸入電壓小于芯片啟動(dòng)電壓時(shí)，可保護(hù)芯片不受過低電壓的影響，它可保證芯片在供電電壓不足時(shí)避免被損壞。過溫保護(hù)模塊：該模塊主要對(duì)從帶隙基準(zhǔn)模塊采樣得來的溫度感應(yīng)值和過溫檢測值進(jìn)行溫度比較。當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，關(guān)閉負(fù)載開關(guān)IC，并提高過溫檢測電壓；當(dāng)溫度下降到一定幅值時(shí)，芯片又重新開啟工作，從而對(duì)芯片起到保護(hù)作用。浪涌保護(hù)模塊：浪涌電壓是一種瞬態(tài)過電壓，即短暫的一瞬間引起的電壓突變，一般是由于負(fù)載短路、電源切換或接入負(fù)載過重等原因造成。在所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片中，加入抗浪涌電路，以保護(hù)芯片免于受損。邏輯控制與驅(qū)動(dòng)模塊：該部分有兩部分組成，邏輯控制電路部分是一個(gè)狀態(tài)切換機(jī)，用于主機(jī)模式（VIN到VOUT的正向充電）和從機(jī)模式（反向OTG的數(shù)據(jù)傳輸）的自動(dòng)切換；另一部分是驅(qū)動(dòng)電路，主要功能是對(duì)RX_N，VIN_SNS以及FLAG_N等引腳和使能電路的驅(qū)動(dòng)，保證芯片的正常工作和關(guān)斷。其他功能描述（1）輸入輸出：VIN是負(fù)載開關(guān)的輸入端，為負(fù)載開關(guān)芯片提供輸入電壓。OUT是負(fù)載開關(guān)的輸出端，連接負(fù)載。電流通過功率管從VIN流向OUT端的負(fù)載。（2）關(guān)斷控制功能：系統(tǒng)中的各個(gè)子模塊的啟動(dòng)和關(guān)斷都是通過EN管腳控制，一旦進(jìn)入關(guān)斷模式后，輸出端將被自動(dòng)放電拉到地。此時(shí)，EN端要么被拉到高電平要么被拉到低電平，不允許處于懸空狀態(tài)。（3）快速輸入和輸出放電功能：負(fù)載開關(guān)芯片在VIN和GND之間以及VOUT和GND之間各有一個(gè)用于放電的大寬長比NMOS管。當(dāng)EN為低電平時(shí)，該NMOS管可迅速地將輸出電容上的電荷釋放掉，并關(guān)閉整個(gè)負(fù)載開關(guān)IC。（4）反向電壓阻斷功能：在電源IC設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮VOUT高于VIN的情況，這個(gè)時(shí)候則需要對(duì)開關(guān)通路進(jìn)行阻斷，以防止輸出端到輸入端的電壓反向。在實(shí)際的使用過程中，由于輸入端經(jīng)常會(huì)受到輸出端反向電壓的沖擊，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的反向電壓阻斷功能。一旦VIN端遭受到VOUT端反向電壓沖擊時(shí)，VIN端電壓會(huì)高于電源電壓，此時(shí)反向阻斷機(jī)制能將功率開關(guān)與端口沖擊電壓進(jìn)行有效隔離，從而保證芯片的安全。（5）軟啟動(dòng)功能：通常，電源電路中都會(huì)伴隨有大容量的電容，在給這些大容量電容充電瞬間則需要很大的浪涌電流，這樣很可能會(huì)造成輸入電源的降低。軟啟動(dòng)電路就是用于減少上電時(shí)的浪涌電流，使輸出電壓緩慢增加并減小對(duì)輸入電源的影響。如果沒有軟啟動(dòng)模塊，將較小的反饋電壓與芯片的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，這兩個(gè)電壓的巨大差值可能會(huì)導(dǎo)致功率管長時(shí)間導(dǎo)通產(chǎn)生浪涌電流，從而導(dǎo)致器件受到應(yīng)力沖擊而損壞開關(guān)管。添加軟啟動(dòng)模塊后，在芯片導(dǎo)通或關(guān)斷電源時(shí)，軟啟動(dòng)輸出電壓會(huì)平滑地或呈階梯狀上升或下降。此時(shí)，將反饋電壓與軟啟動(dòng)輸出電壓進(jìn)行比較，以確保輸出電壓的平穩(wěn)上升或下降。使整個(gè)芯片受到保護(hù)，可最大程度地減小功率管受到的應(yīng)力沖擊。3.1.6負(fù)載開關(guān)芯片的整體設(shè)計(jì)流程遵循模擬集成電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)流程，本文所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片具體流程圖如圖3.3所示。圖3.3論文工作內(nèi)容流程圖3.2負(fù)載開關(guān)芯片的工藝選擇近些年以來，隨著半導(dǎo)體制造工藝的快速發(fā)展，集成電路制造工藝的每一次進(jìn)步都會(huì)給電子產(chǎn)品的性能帶來極大的提升。小尺寸、低功耗和高能效是所有集成電路工藝制造商一直追求的結(jié)果。現(xiàn)階段在半導(dǎo)體制造工藝領(lǐng)域發(fā)展的最為常見的工藝有三種：它們分別是基于0.18μm、0.35μm以及0.5μm的CMOS工藝、雙極型工藝和DMOS工藝，還有就是由這三個(gè)工藝技術(shù)分別結(jié)合而成的BC工藝、CD工藝以及BCD工藝[18]。CMOS工藝流程比較簡潔、功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等，已經(jīng)成為當(dāng)下主流集成電路的技術(shù)。但是，CMOS器件電流驅(qū)動(dòng)能力低，如果只單純的使用CMOS工藝技術(shù)則已經(jīng)不能滿足愈來愈復(fù)雜的集成電路系統(tǒng)更多方面的需求。雙極型工藝是最早發(fā)明的半導(dǎo)體工藝之一，主要使用NPN和PNP型三極管作為主要器件。該工藝的電流驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，具有工作頻率快、高跨導(dǎo)、低噪聲、工藝步驟少、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，仍一直被應(yīng)用于模擬和超高速集成電路；但是其模擬精度高、功耗比較大。DMOS分為垂直VDMOSFET和橫向LDMOSFET雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管[19-21]。一般DMOS器件是由成百上千個(gè)DMOS管組合而成的，DMOS管數(shù)量的多少直接決定了芯片的面積和驅(qū)動(dòng)能力[22-25]。下表3.4總結(jié)了雙極型Bipolar，CMOS和DMOS器件的特點(diǎn)。表3.4雙極型Bipolar，CMOS和DMOS器件的特點(diǎn)器件類別器件特點(diǎn)應(yīng)用雙極型器件導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),工作頻率高,集成度低，性價(jià)比高強(qiáng)驅(qū)動(dòng)、高精度模擬電路和超高速集成電路CMOS器件功能損耗小，集成化高可做邏輯處理,?DMOS器件高壓大電流驅(qū)動(dòng)可做模擬電路和驅(qū)動(dòng)，不適合做邏輯處理如果把雙極型Bipolar，CMOS和DMOS器件相互集合起來，則可以構(gòu)成BC工藝，CD工藝和BCD工藝；根據(jù)本文設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片的高電壓、大電流的特點(diǎn)，本課題擬采用0.18μm32V/5VBCD工藝。下面主要對(duì)BCD工藝進(jìn)行介紹。BCD工藝技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代中期的Thomson公司，該工藝技術(shù)能夠在同一芯片上進(jìn)行模擬精度相對(duì)較高的雙極型(Bipolar)、數(shù)字型CMOS等多種器件的集成。模擬電路可以看做是外部世界與數(shù)字系統(tǒng)連接的紐帶，CMOS邏輯電路便是進(jìn)行信號(hào)處理的大腦，而高壓/功率部分執(zhí)行外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)[26]。BCD工藝技術(shù)不僅具備Bipolar管高精度、低噪聲以及電流驅(qū)動(dòng)高的優(yōu)良特性，而且擁有CMOS管低能耗、集成度高以及便于邏輯控制等優(yōu)良特性；除此之外，還具備DMOS器件響應(yīng)迅速、熱穩(wěn)定性良好以及耐高壓的特性。憑借芯片內(nèi)部各種形式的電路集成可有效降低內(nèi)部互連，進(jìn)而確保電磁干擾有效下降，使得芯片穩(wěn)定可靠性顯著提升；與此同時(shí)，還能保證輕便型、低能耗以及低成本的準(zhǔn)則，整體呈現(xiàn)出相對(duì)較優(yōu)的綜合性能。所以自從BCD工藝誕生以來，始終被半導(dǎo)體行業(yè)所青睞。截止至今，歷經(jīng)近四十年的優(yōu)化與升級(jí)，BCD工藝技術(shù)在結(jié)構(gòu)緊湊性、高壓隔離以及金屬互聯(lián)等方面均實(shí)現(xiàn)了巨大突破。該工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)將對(duì)未來的人工智能，無人駕駛，工業(yè)機(jī)器人以及醫(yī)療器械等眾多智能化產(chǎn)業(yè)有著很好的推動(dòng)作用。今后，BCD工藝仍將朝著高壓、高功率、高密度三個(gè)方向分化發(fā)展。其中BCD技術(shù)與SOI技術(shù)相結(jié)合，是一個(gè)非常重要的技術(shù)趨勢。3.3本章小結(jié)本章主要對(duì)負(fù)載開關(guān)芯片的整體系統(tǒng)架構(gòu)以及相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先簡要介紹了負(fù)載開關(guān)芯片的功能作用和應(yīng)用范圍，然后給出了負(fù)載開關(guān)芯片的總體系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖，后根據(jù)所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片的特點(diǎn)列出詳細(xì)的電性參數(shù)指標(biāo)。第4章子模塊電路設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證上一章介紹了本文設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片的系統(tǒng)框架和電特性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上本章將重點(diǎn)、細(xì)致地對(duì)負(fù)載開關(guān)芯片中主要幾個(gè)模塊的原理以及相關(guān)電路設(shè)計(jì)展開了詳盡描述，并呈現(xiàn)出電路設(shè)計(jì)原理圖以及相應(yīng)的仿真結(jié)果，再對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)地分析。4.1內(nèi)部供電與帶隙基準(zhǔn)電路內(nèi)部供電電路是負(fù)載開關(guān)芯片的關(guān)鍵模塊，由于設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)的輸入電壓范圍較大，因此內(nèi)部電源模塊也需要適應(yīng)較大的輸入電壓范圍，以便調(diào)節(jié)負(fù)載開關(guān)的輸入電壓并為內(nèi)部電路提供一個(gè)恒定的低壓電源，供數(shù)字模塊電路使用。而對(duì)于負(fù)載開關(guān)電路而言，過溫保護(hù)及使能電路等模塊均需要基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，而且該基準(zhǔn)電壓與環(huán)境溫度、電源電壓以及工藝參數(shù)無關(guān)。因此，本文結(jié)合帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種用于負(fù)載開關(guān)的內(nèi)部供電電路，分別為數(shù)字部分和模擬部分電路供電。4.1.1帶隙基準(zhǔn)基本原理及電路設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)是通過將正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行求和計(jì)算，進(jìn)而對(duì)系數(shù)完成相互抵消，從而得到不受溫度影響的基準(zhǔn)電壓，該電壓大約是1.25V[34]。由于產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓數(shù)值大體與硅元素的帶隙電壓相接近，故稱其為帶隙基準(zhǔn)電壓[35]。如圖4.1所示，呈現(xiàn)出帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖示意圖。圖4.1帶隙基準(zhǔn)電路的基本結(jié)構(gòu)圖由于運(yùn)算放大器（OP）的作用，從而保證A，B兩點(diǎn)擁有相同的電位，故三極管Q1與Q2發(fā)射級(jí)之間的電壓差可以寫成：（4.1）式中，n為Q1與Q2發(fā)射級(jí)面積之比，VT=KT/q，I0為Q1和Q2的集電極電流，IS為Q1與Q2的反向飽和電流。于是可得到偏置電流為：（4.2）于是，輸出基準(zhǔn)電壓整理得：（4.3）式中，VBE與溫度存在負(fù)系數(shù)關(guān)系，ΔVBE與溫度成正系數(shù)關(guān)系。他們可近似表示成：（4.4）結(jié)合式（3）、（4）可知，僅需對(duì)n、R1以及R2進(jìn)行合理取值，便可得到零溫度系數(shù)的電壓源和與溫度成反比的電流源。為確保對(duì)稱性，通常取n=8。在帶隙基準(zhǔn)電路中，OP和P1，R2，R1以及Q1形成負(fù)反饋回路，相應(yīng)的反饋系數(shù)如下式：（4.5）OP、P2、R3以及Q2存在正反饋系數(shù)，相應(yīng)的反饋系數(shù)如下式：（4.6）一般情況下R1的取值相對(duì)較大，故負(fù)反饋系數(shù)往往要高于正反饋系數(shù)數(shù)值，進(jìn)而確保電路具有相對(duì)穩(wěn)定性。圖4.2是為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路。圖中PM1，PM2，NM1，NM2構(gòu)成與電源電壓無關(guān)的偏置電路，通過PM4管生成PTAT電流。該電路在每個(gè)分支電路中使用兩個(gè)串聯(lián)的基極-發(fā)射級(jí)電壓以此減小了MOSFET失配的影響。其中，PMOS電流鏡電路保證了Q1~Q4的集電極電流相等。在圖4.2所示的帶隙基準(zhǔn)電路中，雖然在一定程度上將MOS管失配的影響進(jìn)行有效降低，但溝道長度存在一定的調(diào)制效應(yīng)，依然會(huì)造成該電路對(duì)電源產(chǎn)生高度依賴。圖4.2低功耗帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生電路為了解決圖4.2電路產(chǎn)生的電源依賴性的問題，并且避免使用外加偏置電路，通過各個(gè)電路分支采用PMOS以及NMOS共源共柵類型的結(jié)構(gòu)，搭配出自偏置共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖4.3所示。當(dāng)帶隙基準(zhǔn)電路因?yàn)槟撤N情況進(jìn)入小電流工作的簡并狀態(tài)時(shí)，則需要加入啟動(dòng)電路，以保證帶隙基準(zhǔn)的正常啟動(dòng)，在本文設(shè)計(jì)的自偏置帶隙基準(zhǔn)中，啟動(dòng)電路由PM7、PM8、PM9、PM10、PM11、NM5、NM6構(gòu)成。在電源上電的過程中，PM7、PM8和NM5開始飽和導(dǎo)通，PM8漏端電壓增大，使得自偏置電路擺脫簡并工作點(diǎn)，隨著PM8漏端電壓繼續(xù)上升，經(jīng)過一段時(shí)間后，輸出電壓也隨之上升，使得NM6的柵極電壓上升，等到其柵源電壓大于閾值電壓（VGS>VTH）時(shí)，NM6開始導(dǎo)通，NM5柵端電壓被拉至低電平，NM5管截止。同時(shí)，PM7、PM8也擺脫工作狀態(tài)，最終使得帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。圖4.3自偏置共源共柵帶隙基準(zhǔn)電路圖中R1和R2維持適當(dāng)?shù)碾妷海顾芯w管都工作在飽和區(qū)。雙極晶體管Q1和Q2的基極-發(fā)射極的正向電壓由通過電阻R3兩端的PTAT電流生成的電壓降和CTAT電壓降構(gòu)成。在該電路中，輸出基準(zhǔn)電壓Vref由CTAT（與絕對(duì)溫度互補(bǔ)）和PTAT（與絕對(duì)溫度成正比）基準(zhǔn)構(gòu)成。因此，基準(zhǔn)電壓可以寫成式4.7。（4.7）式中，VT是具有正溫度系數(shù)的熱電壓，N是雙極晶體管和的發(fā)射極面積比，L是比例因子。為了有效獲取零溫度系數(shù)相應(yīng)的帶隙基準(zhǔn)參考電壓，進(jìn)一步將帶隙基準(zhǔn)參考電壓對(duì)溫度求偏導(dǎo)，可得到式（4.8）。（4.8）其中，≈-1.87mV/K，≈+0.087mV/K；將式4.8設(shè)為0，可以得到隨溫度的變化為零時(shí)L的值，于是，可得到L的關(guān)系式為：（4.9）令N=8，n=1，則可解出L≈10.22。在自偏置帶隙基準(zhǔn)電路中，誤差源主要來自MOS管的不匹配，MOS管的不匹配引起的隨機(jī)誤差會(huì)在運(yùn)放的輸入端等效為一個(gè)失調(diào)電壓。下面主要對(duì)由威爾遜電流鏡和PNP雙極晶體管不匹配引起的誤差進(jìn)行討論。在實(shí)際中，MOS器件的失配會(huì)給基準(zhǔn)輸出電壓帶來誤差。同時(shí)，閃爍噪聲對(duì)低頻電路的影響也是不可忽略的。在考慮MOS管失配引起的失調(diào)電壓以及閃爍噪聲對(duì)電路的影響下，圖4.3的基準(zhǔn)電壓可表示為式4.10。（4.10）式4.10中，Vos是威爾遜電流鏡和PNP雙極晶體管的總偏移量。V1/f是威爾遜電流鏡晶體管PM1、PM2、NM3、NM4的閃爍噪聲。從等式4.10可以看出，帶隙基準(zhǔn)電壓受到晶體管之間的偏移電壓和閃爍噪聲的影響。閃爍噪聲在低頻處的計(jì)算公式，如式4.11所示。（4.11）從式4.11我們可看出閃爍噪聲與晶體管的寬度和長度以及單位面積的極電容成反比。因此在自偏置帶隙基準(zhǔn)電路中，PM1，PM2，NM3和NM4的晶體管尺寸選擇較大的寬度和較長的長度有利于減少閃爍噪聲。為了進(jìn)一步降低自偏置帶隙基準(zhǔn)電路中由低頻噪聲（主要是閃爍噪聲）帶來的影響，可以采用斬波技術(shù)來消除失配，抑制低頻噪聲，從而提高自偏置帶隙基準(zhǔn)電路的精度[36,37]。這里將不再過多贅述。4.1.2內(nèi)部供電產(chǎn)生電路便攜式電子設(shè)備多采用電池供電，所以要求低功耗電源設(shè)計(jì)，以延長電池的使用壽命。在一些電子產(chǎn)品中，其IC的工作電壓是需要穩(wěn)壓的，例如一些DCDC或信號(hào)處理IC，就需要穩(wěn)定的3.3V或者5V電源為芯片內(nèi)部供電，這時(shí)就需要一個(gè)低功耗的降壓穩(wěn)壓電路。一些高端產(chǎn)品對(duì)成本控制的不是很嚴(yán)格，采用現(xiàn)成的低功耗LDO，但在一些低端的消費(fèi)性產(chǎn)品中，使用LDO帶來的成本則是我們所不能接受的，基于以上原因，本文所采用的內(nèi)部供電產(chǎn)生電路如圖4.4所示。本文的內(nèi)部供電模塊的主要功能就是將VIN引腳上的輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成內(nèi)部低壓電路可以使用的3.5伏電壓。圖中的I1，I2為帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的PTAT電流，NM14為耐高壓的LDMOS管，NM8~NM13為NMOS管柵漏短接形成的二極管，所以其VDS>VGS-VTH，因此這些NMOS管子都處于飽和區(qū)。于是可以得到VCORE的電壓為：（4.12）當(dāng)芯片上電后，電流流過電阻R6，NM14管導(dǎo)通，此時(shí)I1的PTAT電流為：（4.13）流過I2的PTAT電流為：（4.14）圖4.4內(nèi)部供電VCORE產(chǎn)生電路此時(shí)VCORE的電壓為NM8~NM13的VGS之和再減去NM14的VGS生成的，VCORE電壓約為3.5V。4.1.3仿真驗(yàn)證結(jié)合0.18umBCD工藝，在Cadence工具下選取Spectre軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真驗(yàn)證分析。如圖4.5所示呈現(xiàn)出帶隙基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的曲線，不難得出結(jié)論，當(dāng)TA=25℃時(shí)，VREF隨溫度的變化率幾乎為零，即對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)為零，與理論推導(dǎo)保持基本一致。如圖4.6呈現(xiàn)出基準(zhǔn)電壓VREF隨輸入電壓VIN變化的情況，從圖可看出基準(zhǔn)電壓隨輸入電壓變化呈線性關(guān)系，線性變化范圍較小；圖4.7是當(dāng)輸入電壓VIN=5V時(shí)，內(nèi)部電源電壓VCORE隨溫度的變化曲線，圖4.8是當(dāng)TA=25℃時(shí)，內(nèi)部電源電壓VCORE隨輸入電壓的變化關(guān)系。圖4.5帶隙基準(zhǔn)電壓隨溫度變化圖4.6帶隙基準(zhǔn)電壓隨輸入電壓變化圖4.7VCORE電壓隨溫度變化圖4.8VCORE電壓隨輸入電壓變化4.2UVLO欠壓鎖定電路欠壓鎖定（under-overlockout，UVLO）電路是負(fù)載開關(guān)芯片內(nèi)部至關(guān)重要的保護(hù)電路。當(dāng)輸入電源電壓較低時(shí)，電子產(chǎn)品中的一些模塊電路則不能保證系統(tǒng)正常運(yùn)作，所以需要對(duì)電源電壓工作范圍進(jìn)行管理，此時(shí)在芯片中集成欠壓鎖定電路有助于避免系統(tǒng)因?yàn)榈碗妷狠斎攵鲥e(cuò)。4.2.1欠壓鎖定基本原理欠壓鎖定（UVLO）是當(dāng)輸入電壓低于IC的開啟門限電壓時(shí)的一種保護(hù)模式。欠壓鎖定可保證負(fù)載開關(guān)芯片在供電電壓不足時(shí)避免被損壞[38]。一個(gè)低電壓鎖定電路可確保負(fù)載開關(guān)IC在電源電壓未達(dá)到啟動(dòng)電壓前不會(huì)被激活，為了使芯片更穩(wěn)定的工作，在一些欠壓鎖定電路中加入遲滯，該功能可防止電壓在UVLO閾值點(diǎn)產(chǎn)生振蕩。圖4.9所示為欠壓鎖定電路的基本原理圖。該欠壓鎖定電路包括采樣電路、比較器、輸出緩沖器以及相應(yīng)的反饋回路。VIN代表待測電源電壓，相應(yīng)的采樣電阻由R1，R2，R3構(gòu)成，對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣；N1MOS管，N2MOS管以及P1MOS管和P2MOS管共同組成比較器電路，針對(duì)基準(zhǔn)電壓VREF以及相應(yīng)的采樣電壓進(jìn)行對(duì)比分析。INV代表反向器，其目的在于完成相應(yīng)的波形緩沖與整形，確保有效提升電路內(nèi)部負(fù)載能力；P3MOS管構(gòu)成正反饋回路，降低震蕩峰值進(jìn)而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。通過改變電阻R1，R2，R3的大小可實(shí)現(xiàn)不同的閾值點(diǎn)和欠壓保護(hù)功能。圖4.9欠壓鎖定電路的基本原理圖4.2.2欠壓鎖定電路設(shè)計(jì)雖然圖4.9的欠壓鎖定電路結(jié)構(gòu)簡單，但是實(shí)際響應(yīng)速率相對(duì)較低，功耗也比較大。本文采用的欠壓鎖定電路在圖4.9的欠壓鎖定電路基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，如圖4.10所示。該欠壓鎖定利用電壓比較器對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣，然后將采樣的電源電壓與基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行比較；一旦采樣的電源電壓低于芯片的正常啟動(dòng)電壓，則導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)，關(guān)閉IC。該電路中由N5和R3構(gòu)成的反饋控制電路能夠有效生成遲滯電壓，可有效抑制電源波動(dòng)造成的芯片反復(fù)關(guān)斷，基本可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、低能耗以及高穩(wěn)定性的要求。圖4.10本文采用的欠壓鎖存電路下面對(duì)欠壓鎖定電路進(jìn)行詳細(xì)分析，從圖中可看出，本文采用的欠壓鎖存電路由電壓比較部分、電壓檢測部分以及偏置電流產(chǎn)生部分組成。偏置電流產(chǎn)生部分由N3、N4、P3、P4和P5組成，其中N3與N4為電流鏡結(jié)構(gòu)，P3、P4和P5又構(gòu)成了另一個(gè)鏡像電流鏡結(jié)構(gòu)。當(dāng)N3管漏極偏置電流Ibias達(dá)到2μA時(shí)，這時(shí)欠壓鎖定電路就會(huì)啟動(dòng)。通過改變各晶體管的寬長比，可有效憑借電流鏡將相應(yīng)的偏置電流傳遞給其余各電路，電壓檢測電路由R1、R2以及R3構(gòu)成。于是，電源采樣電壓VX可表示為：（4.15）電壓比較器電路由P1、P2、N1、N2以及N6晶體管構(gòu)成，P1、P2、N1、N2采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，可有效提升電路當(dāng)中的共模抑制比。遲滯電路能夠有效產(chǎn)生遲滯電壓，可有效抑制由于電源波動(dòng)造成的芯片反復(fù)關(guān)斷而產(chǎn)生的邏輯失真問題。圖4.11為施密特觸發(fā)器內(nèi)部電路圖。圖4.11施密特觸發(fā)器內(nèi)部電路圖當(dāng)電源電壓VDD觸發(fā)上升沿或者下降沿的時(shí)候，假如采集的電源電壓值比基準(zhǔn)電壓值還要低，這個(gè)時(shí)候欠壓鎖定（UVLO）輸出為高電平，使得P6管關(guān)斷，此時(shí)電源采樣電壓VX1大小為：（4.16）當(dāng)電源采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，欠壓鎖定輸出為低電平，P6管立即導(dǎo)通，此刻電源采樣電壓VX2可以表示為：（4.17）于是，可得遲滯電壓ΔV為：（4.18）4.2.3欠壓鎖定電路仿真基于0.18μmBCD工藝，使用Cadence工具下的Spectre軟件對(duì)欠壓鎖定電路進(jìn)行仿真。仿真條件為輸入電壓從0V到5V上升和從5V到0V下降，上升和下降的時(shí)間均為10ms。其仿真結(jié)果如圖4.12所示，從圖中可以看出當(dāng)輸入電源電壓由5V下降到2.6V時(shí)，欠壓鎖定電路輸出低電平，這時(shí)欠壓鎖定被觸發(fā)；當(dāng)電源電壓由2.8V升高到3.75V時(shí)，欠壓鎖定電路輸出高電平，此時(shí)欠壓鎖定被解除，兩個(gè)閾值電壓之間具有200mV的遲滯。圖4.12欠壓鎖定電路的仿真結(jié)果4.3過溫保護(hù)電路開關(guān)電源芯片中由于集成了大量高電壓和大電流的功率管，使得整體能耗顯著上升，從而使得芯片內(nèi)部溫度升高，過高溫度在一定程度上會(huì)造成半導(dǎo)體器件失效[39]。當(dāng)芯片的溫度超過一定的閾值后，芯片就會(huì)被燒毀，停止工作。因此溫度也是影響芯片工作可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。為了保護(hù)芯片不受過高溫度所造成的危害，可以在芯片內(nèi)部集成過溫保護(hù)電路，當(dāng)芯片工作溫度過高時(shí)，過溫保護(hù)電路就會(huì)起作用，使芯片停止工作，不再產(chǎn)生功耗，讓溫度快速降下來[40]。4.3.1過溫保護(hù)基本原理典型的過溫保護(hù)電路是利用齊納二極管擊穿電壓的正溫度特性和雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor—BJT）的發(fā)射極導(dǎo)通電壓Vbe的負(fù)溫度特性來產(chǎn)生[41]。如圖4.13所示。圖4.13過溫保護(hù)電路原理圖其中，齊納二極管DZ反向擊穿電壓用VZ來表示，于是三極管Q2的基極電壓VB2可以寫成：（4.19）式中，VZ存在正溫度系數(shù)，相應(yīng)的PN結(jié)正向?qū)妷篤BE1存在負(fù)溫度系數(shù)，所以VB2與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)。正常溫度下，當(dāng)VB2低于Q2的閾值電壓VBE2時(shí)，Q2呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，輸出端OTP表現(xiàn)為高電平；一旦溫度過高，VB2便會(huì)高于Q2的閾值電壓VBE2，此時(shí)Q2便會(huì)立即導(dǎo)通，OTP表現(xiàn)為低電平；當(dāng)溫度下降恢復(fù)后，Q2變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，OTP表現(xiàn)為高電平。通過改變電阻R2與R3的比值能夠進(jìn)行過溫閾值的相關(guān)設(shè)定。上述典型過溫保護(hù)電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是由于使用了齊納二極管，使得反向漏電流變大，無形之中會(huì)增加電路內(nèi)部功耗。并且該電路不具備遲滯功能，一旦芯片工作達(dá)到臨界溫度值，Q2便會(huì)處于反復(fù)導(dǎo)通與截止的狀態(tài)，因此造成電路急劇抖動(dòng)的現(xiàn)象，致使芯片工作不穩(wěn)定。4.3.2過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)基于上述過溫保護(hù)電路原理分析，我們設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于負(fù)載開關(guān)芯片的過溫保護(hù)電路，該過溫保護(hù)電路利用帶隙基準(zhǔn)電路提供一定的電壓偏置，利用比較器電路將溫度值的比較轉(zhuǎn)化為電壓值之間的比較，從而確保電路呈現(xiàn)相對(duì)較高的穩(wěn)定性。如圖4.14所示。圖4.14過溫保護(hù)電路圖從圖中可以看出，該過溫保護(hù)電路由溫度檢測電路以及反向器構(gòu)成。VREF是從帶隙基準(zhǔn)出來的基準(zhǔn)電壓，為溫度檢測電路提供電壓偏置，該電壓為P1和P2管提供穩(wěn)定的電流。當(dāng)芯片保持正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，B點(diǎn)要比Q1的開啟電壓低，此時(shí)Q1呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)。A端呈現(xiàn)為高電平，OTP呈現(xiàn)為低電平，此刻N(yùn)1管呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，R1當(dāng)中的電流經(jīng)N1管釋放到GND，R2上的電流逐漸趨向?yàn)榱悖娐诽幱跓o效狀態(tài)。一旦溫度有所提升，Q1管的VBE值將不斷下降，假設(shè)溫度上升至閾值溫度T1時(shí)Q1開啟，此時(shí)Q1的VBE為：（4.20）其中，T0代表初始溫度值；VBE0代表Q1常溫下的電壓；代表Q1的負(fù)溫度系數(shù)。則B點(diǎn)電壓可表示為：（4.21）式中，代表電阻的正溫度系數(shù)。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度上升至溫度閾值T1時(shí)，則有VBE=VB。R1阻值大小為：（4.22）此時(shí)，過溫保護(hù)OTP在閾值電壓（TSD=150℃）時(shí)呈現(xiàn)為高電平，負(fù)載開關(guān)芯片呈現(xiàn)為關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)溫度上升至過熱溫度點(diǎn)時(shí)負(fù)載開關(guān)芯片停止運(yùn)行，此時(shí)N1管呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，電流I1通過R1以及R2流經(jīng)到GND進(jìn)行泄放。如果芯片溫度上升至閾值（TSD=150℃）時(shí)立即關(guān)斷，溫度低于150℃時(shí)又呈現(xiàn)為開啟狀態(tài)，依次反復(fù)，則芯片的正常運(yùn)行便會(huì)受到影響。于是需要設(shè)置過溫保護(hù)電路的遲滯，當(dāng)芯片溫度降低到一定溫度時(shí)，相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)芯片才可恢復(fù)正常狀態(tài)，啟動(dòng)運(yùn)行。假設(shè)當(dāng)溫度下降到T2（T2=115℃）時(shí)Q1關(guān)斷，T2為遲滯開啟溫度，過溫保護(hù)電路OTP端呈現(xiàn)為低電平，相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)芯片恢復(fù)正常啟動(dòng)運(yùn)行，此刻Q1的VBE整理得：（4.23）B點(diǎn)電壓表示為：（4.24）當(dāng)遲滯溫度開啟時(shí)存在VBE=VB，將式4.23和式4.24聯(lián)合起來可以得到R2的值為：（4.25）這時(shí)可以按照電特性參數(shù)里設(shè)定的溫度閾值，即TSD在T1=150℃和T2=115℃時(shí)來確定R1和R2的阻值。在該電路中電容C1的作用是為了防止C點(diǎn)電壓在遲滯開啟的瞬間被急速拉低，以此對(duì)N1管形成保護(hù)作用。過溫保護(hù)溫度值以及相應(yīng)的遲滯開啟溫度二者均與電源電壓無關(guān)。N1管的開啟與關(guān)斷可由電阻R2是否短路來控制，進(jìn)而在過溫保護(hù)過程中發(fā)揮遲滯作用，因此可有效避免電路反復(fù)開啟與關(guān)斷，造成對(duì)芯片工作的影響。4.3.3過溫保護(hù)電路仿真圖4.15是對(duì)設(shè)計(jì)的過溫保護(hù)電路進(jìn)行仿真的情況，仿真條件為：常溫下VREF=1.23V，直流工作電壓VDD=5V，正反掃描溫度區(qū)間范圍為-50℃到160℃。圖中實(shí)線表示溫度從低變高的掃描曲線，在圖中我們可以看到當(dāng)溫度大于150℃的時(shí)候，保護(hù)電路輸出高電平。虛線表式溫度下降掃描曲線，從圖中可以看出當(dāng)溫度低于120℃的時(shí)候，保護(hù)電路輸出的是低電平，因此這兩個(gè)溫度閥值之間相差30℃的遲滯溫度。圖4.15過溫保護(hù)電路仿真4.4過壓保護(hù)電路在嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，許多都為電池供電或USB接口供電，當(dāng)由于誤操作使得供電電壓高于芯片工作電壓時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致芯片燒壞，帶來嚴(yán)重的后果。因此在電源的輸入端到芯片的供電輸入端，有必要加一個(gè)過壓保護(hù)電路，一旦輸入電壓超過設(shè)定電壓值，就切斷電源，保護(hù)芯片不被燒壞[42]。4.4.1過壓保護(hù)基本原理過壓保護(hù)（Over-voltageProtect，OVP）電路主要用在需要額定電壓供電電源的輸入端，用于防止輸入電壓過高而造成電路系統(tǒng)元器件失效[43]。圖4.16是傳統(tǒng)過壓保護(hù)電路的原理示意圖。傳統(tǒng)類型的過壓保護(hù)電路主要是利用比較器來控制電路的開關(guān)。比較器的正端輸入過壓值VOS，負(fù)端輸入檢測電壓值VIN，一旦出現(xiàn)電壓過高的狀況，比較器的輸出便會(huì)立即發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而確保整個(gè)電路處于關(guān)斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。圖4.16傳統(tǒng)過壓保護(hù)原理示意圖4.4.2過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)在上圖傳統(tǒng)過壓保護(hù)電路中，通常對(duì)比較器的精度要求較高，以確保輸出相對(duì)較高的靈敏度檢測值。一旦電壓呈現(xiàn)出瞬時(shí)波動(dòng)或者過沖現(xiàn)象，比較器輸出便會(huì)呈現(xiàn)出反復(fù)跳變的現(xiàn)象，也會(huì)直接造成電路反復(fù)開斷跳變，在一定程度上嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在本文過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，采用遲滯比較器來替代傳統(tǒng)形式的比較器，當(dāng)輸入電壓上升至過壓電壓值，比較器便會(huì)呈現(xiàn)為低電平，斷開電路。而當(dāng)電壓下降瞬間，比較器輸出信號(hào)不會(huì)立刻翻轉(zhuǎn)，直至降低到過壓電壓遲滯值以下時(shí)才開始翻轉(zhuǎn)，憑借遲滯的作用，可有效避免系統(tǒng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。圖4.17為本文設(shè)計(jì)的過壓保護(hù)電路原理圖，VOS端為過壓電壓，VIN為輸入電源電壓檢測值。圖4.17過壓保護(hù)電路原理圖具體電路如圖4.18所示，P代表PMOS管N代表NMOS管。其中，P0、P1、P2、P3、N1、N2、N5構(gòu)成遲滯電壓比較器。圖4.18過壓保護(hù)（OVP）電路圖對(duì)該電路進(jìn)行分析，假定使用正、負(fù)電源，與此同時(shí)確保N1管的柵極接地；一旦當(dāng)N2管的輸入呈現(xiàn)負(fù)值時(shí)，N1管便會(huì)立即導(dǎo)通，N2管立即截止，此時(shí)P1管與P0管呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，P2管和P3管處于截止?fàn)顟B(tài)。假設(shè)流過N5管的尾部電流為i5，此時(shí)i5電流全部流經(jīng)N1和P1，導(dǎo)致A點(diǎn)輸出變高。此時(shí)流過P0管的電流為：（4.26）當(dāng)VIN持續(xù)增大，直到接近閾值電壓時(shí)，尾部電流i5的部分相應(yīng)電流便會(huì)流經(jīng)N2，當(dāng)流經(jīng)N2管與流經(jīng)P0管的電流保持一致時(shí)，達(dá)到閾值點(diǎn)；在超過閾值點(diǎn)時(shí)，比較器開始工作。如果知道N1管和N2管的電流，就可以很容易的計(jì)算它們的VOS電壓。將N1的柵極接地，則可以根據(jù)飽和漏電流公式4.27計(jì)算閾值電壓的跳變點(diǎn)：（4.27）其中，β=WμnCox/L，Cox為氧化層單位面積電容，μn為電子遷移率，W/L為寬長比。可計(jì)算出正跳變點(diǎn)為：（4.28）（4.29）式中，i1為流過N1點(diǎn)的電流，β1為N1管的導(dǎo)電因子。I2為流過N2管的電流，β2為N2管的導(dǎo)電因子。于是可得正的跳變點(diǎn)為：（4.30）一旦到達(dá)閾值點(diǎn)，相應(yīng)的比較器便會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，此刻絕大部分尾部電流流經(jīng)N2管和P3管。此時(shí)，P2管導(dǎo)通，而P0管、P1管和N1管斷開；此時(shí)，可以根據(jù)負(fù)跳變點(diǎn)狀態(tài)下N1管的電流與P2管的電流相等，可以計(jì)算出負(fù)跳變點(diǎn)的輸入電壓為：（4.31）于是，通過合理的設(shè)置MOS管的寬長比以及根據(jù)加在N2管的輸入電壓大小，可以計(jì)算出跳變點(diǎn)電壓的大小。4.4.3過壓保護(hù)電路仿真圖4.19為本文設(shè)計(jì)的過壓保護(hù)電路的仿真曲線，仿真條件為：電源電壓VDD為0V~40V，TA=25℃，VOS=VREF。結(jié)合仿真結(jié)果不難分析出當(dāng)電源電壓上升至30V時(shí)過壓保護(hù)便會(huì)立即輸出高電平，憑借相應(yīng)的邏輯控制模塊進(jìn)行相關(guān)功率管的切斷；一旦電源電壓下降至28V時(shí)過壓保護(hù)便會(huì)立即輸出低電平，使芯片重啟運(yùn)行。存在2V遲滯電壓，可有效避免電壓波動(dòng)引起的運(yùn)行狀態(tài)反復(fù)跳變的問題。圖4.19過壓保護(hù)OVP仿真圖4.5負(fù)載開關(guān)芯片的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)ESD（ElectroStaticDischarge,ESD）也被稱為靜電釋放，它是一種客觀存在的自然現(xiàn)象[27]。具體可以解釋為帶有不同電荷的兩種粒子相互接近時(shí)，不同電荷之間存在的絕緣介質(zhì)被相應(yīng)的電場擊穿后變成了導(dǎo)電通路，從而使得電荷轉(zhuǎn)移中和的過程，或者是帶有不同電荷物體直接接觸使得電荷轉(zhuǎn)移中和。所以產(chǎn)生ESD現(xiàn)象的根本原因在于電場感應(yīng)。一旦帶電物體逼近與地絕緣的相關(guān)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體表層便會(huì)生成極性相反的電荷。導(dǎo)體自身呈現(xiàn)出電中性，由于不同部分存在異種電荷。即使導(dǎo)體本身依然保持電中性，但倘若能生成一條通路，同樣也會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，從而使導(dǎo)體帶電。在集成電路芯片的加工生產(chǎn)、運(yùn)輸以及應(yīng)用的過程當(dāng)中，芯片的外部環(huán)境或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)有電荷聚集的現(xiàn)象存在。一旦芯片的管腳與外界產(chǎn)生通路時(shí)候，聚集的電荷便會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，瞬時(shí)通過電路內(nèi)部中的最大值電流可以達(dá)到數(shù)安倍，此時(shí)這個(gè)瞬態(tài)大電流值很快將芯片燒毀。研究表明，ESD現(xiàn)象是造成集成電路產(chǎn)品失效的主要原因之一。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在微電子領(lǐng)域由于ESD造成的危害損失每年高達(dá)約100億美元。因此，為了提高產(chǎn)品的可靠性，有必要在電路中采取ESD防護(hù)措施。要減少甚至消除ESD對(duì)集成電路產(chǎn)品的危害，首先要對(duì)ESD的原理有深入的了解[28]。導(dǎo)致ESD的失效的形式大體可歸結(jié)為以下幾類：①硬失效，物質(zhì)受損或毀壞；②軟失效，相應(yīng)的邏輯功能的暫時(shí)突變；③潛在失效，時(shí)間依賴性失效。引起這些失效的因素可分為電失效以及相應(yīng)的熱失效。所謂電失效具體指柵氧化層當(dāng)中的電場強(qiáng)度高于相應(yīng)的介電強(qiáng)度，進(jìn)而造成介質(zhì)或表面擊穿的現(xiàn)象。所謂熱失效是指ESD事件發(fā)生時(shí)，局部產(chǎn)生幾安倍到幾十安倍的大電流，雖然持續(xù)的時(shí)間為幾納秒到幾百納秒，但產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使局部的金屬連線熔化或使芯片出現(xiàn)熱斑，從而引起二次擊穿。針對(duì)上述ESD損傷機(jī)制，可從以下3個(gè)層面對(duì)ESD進(jìn)行防護(hù)[29]：①從根源上防止靜電的產(chǎn)生，減少靜電的累積。比如，在芯片的存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中，將芯片放進(jìn)密閉容器內(nèi)，防止外面靜電場的干擾影響，同時(shí)也保證了芯片在密閉容器內(nèi)靜電的產(chǎn)生。②片外ESD防護(hù)，即利用外圍器件來保護(hù)芯片，使其免受ESD的傷害。例如，可用陶瓷電容、瞬態(tài)電壓抑制器、齊納以及肖特基二極管等形式的外圍器件進(jìn)行有效避免ESD造成的危害。③片上ESD防護(hù)，即將ESD防護(hù)電路集成到芯片上，提高芯片自身的防護(hù)能力。這種層面是最重要的防護(hù)方式，因?yàn)榍懊鎯煞N方法雖然可以產(chǎn)生一定的效果，但是不能從根本上提高IC產(chǎn)品的保護(hù)能力。像第一個(gè)層面只能用于芯片的制造和運(yùn)輸過程中，而不能應(yīng)用于終端產(chǎn)品，對(duì)電子終端產(chǎn)品不能起到一定的防護(hù)作用。但是，第三種層面的防護(hù)是利用在芯片內(nèi)部集成ESD電路保護(hù)單元來實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的防護(hù)。這樣可以直接增強(qiáng)芯片的ESD防護(hù)能力，同時(shí)也能減少芯片的板級(jí)空間。本文所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片所采用的ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖4.20所示。圖中C表示電容，大小為5PF；R表示電阻，大小為40k?，P表示PMOS，N表示NMOS。從圖中可以看出，該ESD保護(hù)電路由RC檢測電路、反向器以及VIN電源電壓鉗位器件構(gòu)成。由于要鑒別在VIN電源上發(fā)生的是正常的電源電壓輸入還是ESD靜電效應(yīng)，所以按照常規(guī)選擇RC時(shí)間常數(shù)（電阻阻值乘以電容容值）應(yīng)為0.1~1μs。在該電路中選擇40k?的電阻、5pF的電容，則RC時(shí)間常數(shù)為0.2μs。圖4.20負(fù)載開關(guān)芯片的ESD保護(hù)電路在電路正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電容可以將A點(diǎn)電位變更為‘0’，反向器能夠?qū)崿F(xiàn)B點(diǎn)電位變更為‘1’，此刻N(yùn)3完成導(dǎo)通。C點(diǎn)電位即可變?yōu)椤?’，鉗位晶體管N4立刻變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)而確保電路正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，靜電保護(hù)電路處于關(guān)閉狀態(tài)，相應(yīng)的內(nèi)部電路運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。在靜電產(chǎn)生時(shí)，由于RC時(shí)間常數(shù)要比靜電脈沖上升周期小，A點(diǎn)電壓便會(huì)跟隨靜電電壓突變?yōu)椤?’，此時(shí)，B點(diǎn)電壓是‘0’，N3處于關(guān)閉狀態(tài)，故C點(diǎn)電壓會(huì)變成‘1’，最終一級(jí)箝位晶體管N4便會(huì)打開，相應(yīng)的靜電放電電流會(huì)被完全釋放。隨著對(duì)電容進(jìn)行持續(xù)充電，A點(diǎn)電勢會(huì)被逐步拉低，各個(gè)器件的工作狀態(tài)依次發(fā)生反轉(zhuǎn)。反饋晶體管N2便會(huì)立即開啟，A點(diǎn)電勢便會(huì)快速變?yōu)椤?’，最終一級(jí)鉗位器件N4柵極當(dāng)中的電壓持續(xù)周期不會(huì)很長，確保鉗位器件能夠得到切實(shí)有效的保護(hù)。由于針對(duì)0.18μm的工藝來看，柵氧化層厚度僅為4nm，其能夠承受的電壓極限也就是幾伏。故柵極上的靜電電壓絕不可停留過久，通常情況下幾十納秒可以滿足需求，這樣不僅能夠?qū)⑾鄳?yīng)的靜電電流完全卸荷釋放，還能夠?qū)︺Q位器件的柵極進(jìn)行切實(shí)有效的保護(hù)。4.6負(fù)載開關(guān)芯片的浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)1.浪涌產(chǎn)生原理與ESD靜電防護(hù)最接近的是抗浪涌設(shè)計(jì)。浪涌在電子系統(tǒng)中很常見，它是指在超出正常工作電壓值后的瞬間瞬態(tài)過電壓[30]。從本質(zhì)上來說，浪涌是發(fā)生在百萬分之一秒內(nèi)的劇烈脈沖，并且所產(chǎn)生的脈沖是巨大的。在浪涌出現(xiàn)時(shí)，電壓電流的幅值超過正常值的兩倍以上。導(dǎo)致發(fā)生浪涌事件的原因有很多種，比如短路、重型負(fù)載的接入或者電源的頻繁切換等?，F(xiàn)如今很多電子設(shè)備都會(huì)集成浪涌防護(hù)裝置，憑借該裝置可以吸收浪涌事件產(chǎn)生的巨大能量，確保設(shè)備的正常工作[31]。隨著便攜式電子設(shè)備的迅速發(fā)展，電源IC的應(yīng)用也變得越來越廣泛。電源模塊的輸入端通常伴隨有浪涌沖擊事件的發(fā)生。如果系統(tǒng)內(nèi)的一些模塊不能夠承受住浪涌電壓，那么這些模塊將會(huì)損壞并發(fā)生故障，從而導(dǎo)致系統(tǒng)異常。由于電源模塊與外部系統(tǒng)接觸并連接，使得所有外部傳來的浪涌都會(huì)通過電源端口。而且電源模塊的尺寸較小，集成度高，因此該模塊的內(nèi)部控制芯片和晶體管所能承受的最大電壓和最大電流都受到相對(duì)限制。一旦發(fā)生電涌事件，將會(huì)導(dǎo)致電源模塊產(chǎn)生故障，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，即使沒有立即損壞，電子設(shè)備也將受到應(yīng)力沖擊，對(duì)其壽命和可靠性造成嚴(yán)重影響。所以通常在電源IC內(nèi)部需要設(shè)計(jì)電涌保護(hù)電路[32,33]，以保證電源模塊能夠連續(xù)可靠地使用。2.浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)電源模塊采用的浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)是基于IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于在規(guī)定狀態(tài)下工作的電氣和電子設(shè)備，以應(yīng)對(duì)由于開關(guān)或雷電而導(dǎo)致的危險(xiǎn)電壓而產(chǎn)生的浪涌電壓事件。根據(jù)IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的要求，要能夠分別模擬電源線和通信線上的雷電浪涌測試。由于線路的阻抗不同，因此這兩條線路上的電涌波形也不同，測試標(biāo)準(zhǔn)可分為兩種：一種是開路電壓波為1.2/50μs的電壓波和短路電流波為8/20μs的電流波，主要用于電源線測試。另一種是應(yīng)用于通信線路試驗(yàn)的10/700μs浪涌電壓發(fā)生器。這種測試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)生器的基本性能要求是：開路峰值輸出電壓為0.5kV～4kV。針對(duì)于電源線路測試標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)等級(jí)分類如表4.1所示。表4.1浪涌測試試驗(yàn)等級(jí)等級(jí)開路試驗(yàn)電壓（±10%）KV10.5213244X待定浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)本文采用的浪涌保護(hù)電路如圖4.21所示，T0為NMOS電子開關(guān)管,R0、R1對(duì)輸入電源電壓進(jìn)行采樣檢測,調(diào)整R0、R1的阻值可以對(duì)浪涌保護(hù)電壓值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)輸入電壓正常時(shí)，R0和R1上的分壓值小于Q0基極上的導(dǎo)通電壓值，Q0截止，此時(shí)Q1由于R3和R2的分壓作用也處于截止?fàn)顟B(tài)；R4和R5分壓使得T0管的柵源電壓大于閾值電壓，故此時(shí)T0導(dǎo)通，輸入電壓通過T0對(duì)負(fù)載開關(guān)內(nèi)部系統(tǒng)供電，在R4和 Q1之間并聯(lián)一個(gè)TVS管，利用TVS的反向?qū)ㄌ匦钥煞乐筎0被擊穿。當(dāng)出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，由于浪涌電壓超出所設(shè)定的電壓范圍，此時(shí)流過R0和R1上的電流增大，R0和R1的分壓值大于Q0基極的導(dǎo)通電壓，Q0導(dǎo)通，R2下端被下拉至地，R3和R2分壓使得Q1的Vbe大于其導(dǎo)通閾值電壓，Q1導(dǎo)通；T0柵極被上拉至高電位，T0管截止，將輸入電源電壓斷開，防止浪涌電壓流向系統(tǒng)內(nèi)部模塊，對(duì)后面模塊電路造成沖擊。根據(jù)上述原理分析，可寫出浪涌保護(hù)電壓的計(jì)算公式為：（3.1）其中，Vbe為Q0基極和發(fā)射極的導(dǎo)通電壓，于是可以根據(jù)R0和R1合適的取值來對(duì)浪涌保護(hù)電壓進(jìn)行設(shè)定。本文設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)芯片可支持高達(dá)100V的浪涌保護(hù)。圖4.21負(fù)載開關(guān)芯片的浪涌保護(hù)電路4.7邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路4.7.1邏輯控制基本原理與電路設(shè)計(jì)邏輯控制電路由外部邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該模塊由許多的數(shù)字門電路組合而成，其功能是根據(jù)使能來控制了USBIN輸入，欠壓鎖定，過壓鎖定，負(fù)載開路以及過溫保護(hù)等電路的導(dǎo)通和關(guān)斷。邏輯控制模塊是芯片的信息處理中心，同時(shí)也是芯片實(shí)現(xiàn)智能化的控制中心，因此，邏輯控制的電路對(duì)于整個(gè)負(fù)載開關(guān)芯片的設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要[44]。圖4.22邏輯控制框架圖圖4.22是本文采用的邏輯控制框架圖，從圖中可以看出，該邏輯控制模塊由D觸發(fā)器、或門、與門、與非門及反相器組成。下面對(duì)各輸入輸出信號(hào)進(jìn)行說明。O