1、2022-12-241第五章第五章 基本功率集成电路模块基本功率集成电路模块2022-12-242/51主要内容主要内容n功率集成电路组成功率集成电路组成n电平位移模块电平位移模块n栅驱动模块栅驱动模块n保护电路保护电路过流、过热和过欠压过流、过热和过欠压2022-12-243/51功率集成电路分类功率集成电路分类 20世纪世纪8090年代，功率集成电路根据集成功能、制造工年代，功率集成电路根据集成功能、制造工艺及应用范围的不同，自然而然形成了两种不同类型的功率集艺及应用范围的不同，自然而然形成了两种不同类型的功率集成电路：成电路：n一为高压集成电路一为高压集成电路HV-ICn二为智能功率集成
2、电路二为智能功率集成电路SPIC。发展到发展到21世纪，世纪，PIC技术更加先进，可集成功能和电路模块技术更加先进，可集成功能和电路模块越来越多，越来越多，SPIC和和HVIC的界限也变得越来越模糊，还出现了系的界限也变得越来越模糊，还出现了系统级功率集成电路，被称为片上功率系统（统级功率集成电路，被称为片上功率系统（Power System on a Chip，PSoC）。）。2022-12-244/51早期功率电子系统早期功率电子系统n信号的采集信号的采集/输入和放大电路输入和放大电路n信号处理电路（产生功率处理所需的控制信号）信号处理电路（产生功率处理所需的控制信号）n功率处理电路（驱动
3、负载工作）功率处理电路（驱动负载工作）2022-12-245/51PSoC组成组成n信号采集信号采集n数据处理数据处理n控制电路控制电路n驱动电路驱动电路n功率处理电路功率处理电路n电源电路电源电路SoC模块模块PIC模块模块2022-12-246/51PSoC典型电路结构框图典型电路结构框图2022-12-247/51模块功能模块功能n输入接口电路输入接口电路 它是系统与外界联系的桥梁，它将外界的信号以它是系统与外界联系的桥梁，它将外界的信号以电信号方式传送给电信号方式传送给PSoC系统内部的其他模块，传感器、系统内部的其他模块，传感器、按键开关、以及无线按键开关、以及无线/有线通信接口都属
4、于这个模块。有线通信接口都属于这个模块。2022-12-248/51模块功能模块功能n信号处理电路信号处理电路 它是它是PSoC系统的核心控制部分，包括有微处理器、系统的核心控制部分，包括有微处理器、DSP和和MCU等。它将输入接口电路得到的各种信号（传等。它将输入接口电路得到的各种信号（传感信号、通信指令或图像等）进行数据处理，并依据处感信号、通信指令或图像等）进行数据处理，并依据处理结果对功率电路进行合理控制；同时它还要对电源进理结果对功率电路进行合理控制；同时它还要对电源进行监视、控制和管理。这部分电路通常采用标准行监视、控制和管理。这部分电路通常采用标准CMOS电路实现，降低系统功耗和
5、提高集成密度。电路实现，降低系统功耗和提高集成密度。2022-12-249/51模块功能模块功能n电源模块电源模块 主要提供系统中其他模块所需的电源形式，包括主要提供系统中其他模块所需的电源形式，包括直流直流/交流、高压交流、高压/低压等不同类型的电源电压。电源模低压等不同类型的电源电压。电源模块必须具有良好的抗电源干扰、浪涌和块必须具有良好的抗电源干扰、浪涌和EMC等性能，等性能，以便保护其他模块不会出现由于电源干扰而导致异常工以便保护其他模块不会出现由于电源干扰而导致异常工作。作。2022-12-2410/51模块功能模块功能n存储器存储器 有有ROM、RAM、EEPROM和和FLASH等
6、几种类型，等几种类型，依据不同的应用和工艺兼容等条件采用合适的存储器类依据不同的应用和工艺兼容等条件采用合适的存储器类型，对信号处理电路中的数据进行储存。在许多运用场型，对信号处理电路中的数据进行储存。在许多运用场合，出于功率控制参数微调、非线性校正等就需要将相合，出于功率控制参数微调、非线性校正等就需要将相应的参数数据写入存储器中。应的参数数据写入存储器中。2022-12-2411/51模块功能模块功能n功率处理电路功率处理电路 主要为马达、显示器、照明灯等负载提供与之相匹主要为马达、显示器、照明灯等负载提供与之相匹配的电源能量。同样要处理大电流和高电压，功率处理配的电源能量。同样要处理大电
7、流和高电压，功率处理电路要有良好的保护装置，如过压、过流和过温等。为电路要有良好的保护装置，如过压、过流和过温等。为了配合功率处理电路的功率器件工作，需增加一些驱动了配合功率处理电路的功率器件工作，需增加一些驱动放大或栅驱动电路。放大或栅驱动电路。2022-12-2412/51PSoC产品产品 PSoC相关的产品还比较少，小功率相关的产品还比较少，小功率PSoC雏形雏形已有：已有：nST工艺工艺BCD6工艺的最新开关稳压器工艺的最新开关稳压器ST1S06nNXP公司采用公司采用A-BCD工艺工艺(0.13 um)的的CAN收发收发器系列器系列nClass D音频功放系列音频功放系列IC2022
8、-12-2413/51L6924DnL6924D是采用是采用ST公司的公司的BCD6工艺制造技术的单片充电工艺制造技术的单片充电 器芯片，专门为单电池锂和锂聚合体电池组的充电设计。器芯片，专门为单电池锂和锂聚合体电池组的充电设计。它集成了功率它集成了功率MOSFET、反向隔离二极管、敏感电阻和、反向隔离二极管、敏感电阻和 热保护电路。该热保护电路。该IC还兼容还兼容USB总线标准，可用于深受市总线标准，可用于深受市 场欢迎的场欢迎的USB供电的供电的PC外设。外设。n它包括它包括MOS驱动电路和功率驱动电路和功率MOSFET、振荡器、热保护、振荡器、热保护、数字逻辑电路和模拟检测等各种模块。数
9、字逻辑电路和模拟检测等各种模块。2022-12-2414/51L6924D框图框图功率功率MOSFET，最大充电电流，最大充电电流1A输入电压范围输入电压范围2.5V到到12V 输出电压为输出电压为4.1V和和4.2V两种电压（精度可达两种电压（精度可达1）连接热敏电阻，连接热敏电阻，检测电池温度检测电池温度充电电流大小充电电流大小编程管脚编程管脚充电速度充电速度编程管脚编程管脚预充电电压预充电电压阈值设置阈值设置 2022-12-2415/51L6924D外围电路外围电路2022-12-2416/51L6924D线性充电模式线性充电模式 输入电压输入电压电池电压电池电压电池充电电流电池充电电
10、流芯片功耗芯片功耗预充电阈值电压预充电阈值电压2022-12-2417/51L6924D脉冲充电模式脉冲充电模式2022-12-2418/51 L9805 L9805是一款可软件控制的用于驱动电阻和电感负载的是一款可软件控制的用于驱动电阻和电感负载的单片系统智能功率集成电路。包含：单片系统智能功率集成电路。包含：n一个一个ST7微处理器内核微处理器内核n一个一个4A H桥电机驱动器桥电机驱动器n高速高速CAN接口接口n一个一个10位位ADCn稳压器稳压器n16KB EPROM、256bit RAM、128bit EEPROMn两个定时器两个定时器n两个脉冲宽度调制（两个脉冲宽度调制（PWM）单
11、元）单元 2022-12-2419/51 L9805框图框图2022-12-2420/51L9805特点特点n一个系统级的智能功率集成电路，集成微处理器、一个系统级的智能功率集成电路，集成微处理器、CAN接口、存储器和功率处理电路在一块芯片上；接口、存储器和功率处理电路在一块芯片上；n集成集成8M内部内部Clock振荡器；振荡器；n与与USB bus兼容；兼容；n70m的的DMOS H桥电机驱动器；桥电机驱动器；n可编程软件控制；可编程软件控制；n自启动功能。自启动功能。2022-12-2421/51SPIC电路电路nSPIC将输出功率器件与低压控制的信号处理以及传将输出功率器件与低压控制的信
12、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。感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片。n它一般包含功率控制、检测它一般包含功率控制、检测/保护和接口电路三部分。保护和接口电路三部分。2022-12-2422/51SPIC基本组成基本组成2022-12-2423/51TNY26X系列芯片系列芯片nTinySwitch-II在在PI公司在公司在TOPSwtch-II系列的基础上，推系列的基础上，推 出的小功率离线开关电源管理出的小功率离线开关电源管理IC。n该系列芯片由控制、保护电路和功率该系列芯片由控制、保护电路和功率MOSFET三部分组三部分组 成，其中功率成，其中功率MO
13、SFET器件版图占整个芯片的主要部分。器件版图占整个芯片的主要部分。2022-12-2424/51TNY26X系列芯片外围系列芯片外围2022-12-2425/51TNY26X系列芯片框图系列芯片框图2022-12-2426/51HV-IC电路电路n高压集成电路是将数个高压功率器件与低压数字高压集成电路是将数个高压功率器件与低压数字/模拟电模拟电 路集成在同一芯片上的单片路集成在同一芯片上的单片IC，常用于各种显示驱动、照，常用于各种显示驱动、照 明、电机驱动和中小功率电源等高压电路当中。其中单个明、电机驱动和中小功率电源等高压电路当中。其中单个 功率器件一般处理的电流较小。功率器件一般处理的
14、电流较小。n高压集成电路一般由低压数字高压集成电路一般由低压数字/模拟电路、电平位移电路模拟电路、电平位移电路 和高压输出级电路三部分组成。和高压输出级电路三部分组成。2022-12-2427/51IR2155 高频电子镇流器芯片高频电子镇流器芯片IR2155是是IR公司公司比较早推出的一款荧光灯照明驱动芯片。比较早推出的一款荧光灯照明驱动芯片。2022-12-2428/51IR2155外围外围2022-12-2429/51IR2155框图框图2022-12-2430/51IR2155版图版图2022-12-2431/51STP24DP05 STP24DP05芯片是一款驱动电流高达芯片是一款驱
15、动电流高达80mA的的24路恒流输出路恒流输出RGB LED驱动器，是目前比较驱动器，是目前比较新的一款新的一款LED驱动器。驱动器。2022-12-2432/51STP24DP05框图框图2022-12-2433/51ATA6837n ATA6837是爱特梅尔公司是爱特梅尔公司Atmel推出的高温六路半桥驱动器推出的高温六路半桥驱动器 芯片，可用于汽车的功率电子系统。采用芯片，可用于汽车的功率电子系统。采用0.8m SOI-BCD工工 艺。艺。n传统驱动器传统驱动器IC芯片工作温度一般只能达到芯片工作温度一般只能达到150C，而，而SOI工工 艺的艺的ATA6837工作温度为工作温度为200
16、C。nATA6837可被用于高温的环境中，如汽车涡轮充电器、废气可被用于高温的环境中，如汽车涡轮充电器、废气 再循环系统和引擎上电子装置。再循环系统和引擎上电子装置。2022-12-2434/51ATA6837 框图框图2022-12-2435/51PIC电路与普通电路与普通IC电路的区别电路的区别 PIC电路与普通电路与普通IC电路相比增加的电路模块：电路相比增加的电路模块：n电平位移模块电平位移模块n栅驱动模块栅驱动模块n各种检测和保护模块各种检测和保护模块2022-12-2436/51电平位移模块电平位移模块 n电平位移电路将低压逻辑信号转化为高压电平位移电路将低压逻辑信号转化为高压 驱
17、动信号并提供一定驱动电流。驱动信号并提供一定驱动电流。2022-12-2437/51典型电平位移电路典型电平位移电路 典型的高低电平位移电路典型的高低电平位移电路 典型的高低电平位移电路的波形典型的高低电平位移电路的波形 2022-12-2438/51薄栅氧电平位移电路薄栅氧电平位移电路2022-12-2439/51简化的高低电平位移电路结构简化的高低电平位移电路结构 Vin LVVssVoutN2P1N1VddP22022-12-2440/51栅驱动模块栅驱动模块n栅驱动模块给功率器件的栅结构提供充分的充栅驱动模块给功率器件的栅结构提供充分的充 电电/放电电流，保证功率器件的快速开启和关断。
18、放电电流，保证功率器件的快速开启和关断。n由于功率器件面积很大，驱动栅极电压相当于由于功率器件面积很大，驱动栅极电压相当于 驱动一个很大的电容负载，因而需要很大的驱驱动一个很大的电容负载，因而需要很大的驱 动电流。动电流。2022-12-2441/51CMOS反相器级联的栅驱动模块反相器级联的栅驱动模块 M一般取一般取410之间之间 2022-12-2442/51保护电路保护电路n过流保护过流保护n过热保护过热保护n过过/欠压保护欠压保护 2022-12-2443/51过流保护电路过流保护电路 目前功率器件电流检测主要有以下几种方法目前功率器件电流检测主要有以下几种方法:n在输出回路中串接电阻
19、在输出回路中串接电阻n导通电阻导通电阻RDS检测检测n在输出回路中加入互感线圈在输出回路中加入互感线圈nSense FET 的方法的方法2022-12-2444/51Sense FET 的方法的方法nSense FET 感知电流方法来源于电流镜。G0MainFETSenseOUTQ1高压DrainQ2R10SenseFET2022-12-2445/51Sense FET方法误差分析方法误差分析 在实际过程中，由于在实际过程中，由于Sense FET和主功率器件电流路径不同，从而和主功率器件电流路径不同，从而会对电流感知的准确度造成很大的影响。其中影响比较大的有：会对电流感知的准确度造成很大的影
20、响。其中影响比较大的有：n源极连线电阻的影响源极连线电阻的影响nPAD连线的影响连线的影响n虽然虽然R1电阻很小，但是电阻很小，但是R1检测电阻存在会造成检测电阻存在会造成Sense FET源极源极 电压上升，特别是电流很大时，影响更大电压上升，特别是电流很大时，影响更大n由于由于Sense FET的衬底实际上是接地的，因而增加的衬底实际上是接地的，因而增加R1会导致会导致Sense FET存在衬偏效应存在衬偏效应2022-12-2446/51改进导通电阻改进导通电阻RDS检测检测高压阻塞电路高压阻塞电路 利用功率器件导通电阻作为感应电阻的方法利用功率器件导通电阻作为感应电阻的方法 2022-
21、12-2447/51具体的过流保护电路具体的过流保护电路2022-12-2448/51过热保护电路过热保护电路 n热保护电路一般是利用晶体管热保护电路一般是利用晶体管BE（PN）结）结电压的负温度系数效应设计的，一般电压的负温度系数效应设计的，一般VBE的的 温度系数约为温度系数约为-2mV/左右。左右。2022-12-2449/51过热保护电路过热保护电路 热迟滞回路曲线热迟滞回路曲线 温度保护电路原理温度保护电路原理 2022-12-2450/51 过热保护电路过热保护电路4c12exp()REFgmHHVqEIIIbTkT4c1LLexp()REFgmVqEIIbTkT2022-12-2451/51过过/欠压保护电路欠压保护电路
