專利名稱：基于高壓dmos實現的電平轉換電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電平轉換技術，尤其涉及高壓集成電路(HVIC)中的信號從低壓模塊 轉移到高壓模塊的電平轉換電路，該電平轉換電路基于高壓匿OS實現。
背景技術：
高壓集成電路是一種帶有欠壓保護、邏輯控制等功能的柵極驅動電路，它將電 力電子與半導體技術結合，逐漸取代傳統的分立元件，越來越多地被應用在IGBT、大功率 M0SFET的驅動領域。高壓集成電路的核心部分是電平轉換電路，該電路的功能是在同一晶 圓上將對地0 15V的信號轉換成對地600V 615V的信號。 目前應用于高壓集成電路的電平轉換電路采用恒定電流源控制高壓匿0S導通的 形式，如圖1所示，包括低壓模塊和高壓模塊 所述低壓模塊(11)由低壓電源供電，所述低壓電源的正端為VCC、負端為GND，低 壓信號輸入到脈沖發生電路(16)的輸入端，脈沖發生電路(16)的輸出端控制模擬開關 (14)的通斷；模擬開關(14) 一端與電流源(15)相連，另一端與第一NPN管(13)相連；第 一NPN管(13)與第二NPN管(12)構成鏡像電流結構；第二NPN管(12)的集電極與高壓 DM0S(17)的源極相連；高壓DM0S(17)的柵極接VCC，漏極連接高壓模塊(21)。
所述高壓模塊(21)由高壓電源供電，所述高壓電源的正端為VB、負端為VS，高壓 DM0S(17)的漏極接降壓電阻(25)、鉗位二極管(23)的陰極、反向器(22)的輸入端；鉗位二 極管(23)的陽極與VS相連，降壓電阻(25)的另一端與VB相連，反向器(22)的輸出端連 接輸出信號處理模塊(24)。 圖1所示的基于高壓匿OS實現的電平轉換電路的工作方式為
(1)當脈沖發生電路(16)輸出基于所述低壓電源的低電平時，模擬開關(14)關 斷，電流源(15)不起作用，第一NPN管(13)和第二NPN管(12)截止，高壓DMOS (17)截止， 高壓DM0S(17)的漏端電壓與VB相同，高壓模塊反向器(22)的輸入為基于所述高壓電源的 高電平，輸出信號模塊(24)接收到基于所述高壓電源的低電平； (2)當脈沖發生電路(16)輸出基于所述低壓電源的高電平時，模擬開關(14) 導通，電流源(15)與第一NPN管(13)形成通路，第二NPN管(12)產生鏡像電流I，高壓 匿0S(17)被強制產生漏源電流I，源極電壓與基極產生壓差，當壓差大于高壓匿0S(17)的 閾值電壓，則高壓匿OS導通。 為降壓電阻(25)設計適當的阻值R，使
I R " 15V 則流過降壓電阻(25)的電流II " I，流過鉗位二極管(23)的電流12 " O，反向 器(22)的輸入端為基于所述高壓電源的低電平，輸出信號處理模塊(24)接收到基于所述 高壓電源的高電平。 通過上面分析，此設計方法的關鍵是鏡像電流I的確定，如果I設計得太小，可能 會導致高壓匿OS無法進入飽和區而不能導通，如果I設計得過大，在VS為高電壓時，會導致高壓匿0S進入擊穿區而造成電路燒毀，而I設計得是否合適，是根據高壓匿os的導通電 阻決定的，決定高壓匿os導通電阻的因素很多，包括高壓匿os漂移區擴散深度、寬度，漂
移區摻雜，漂移區結構，源區摻雜，漏區長度、摻雜濃度，襯底摻雜，柵極過量電荷等等，高壓
匿0S導通電阻表現出來的溫度特性也較為復雜。對于某些BCD工藝，生產出的高壓匿0S的 導通電阻離散性較大，I非常不好確定，對于固定的I，經常會因為I值過小而使電平無法轉 移，或者I值過大而造成芯片燒毀。 圖2A是一個導通電阻較大的高壓匿0S的輸出特性示意圖，圖2B是一個導通電阻 較小的高壓匿OS的輸出特性示意圖(l)如果選擇某一固定的IL作為導通電流，則圖2A 的高壓匿OS能夠工作在飽和區實現電平的轉移，但圖2B的高壓匿OS卻只能工作在三極管 區，未能導通，信號無法向高壓區傳輸；(2)如果選擇某一固定的IH作為導通電流，則圖2B 的高壓匿OS能夠工作在飽和區實現電平的轉移，但圖2A的高壓匿OS卻已在Vds = 600V 時進入了擊穿區，造成電路燒毀。 由于上述原因，將高壓匿OS的導通電流設為固定值的電平轉換電路很容易失效， 導致高壓集成電路的合格率很低。
發明內容
本發明旨在解決現有技術的不足，提供一種基于高壓匿OS實現的電平轉換電路， 該電平轉換電路克服BCD工藝中由高壓匿OS的導通電阻離散性大而引起的問題，提高高壓 集成電路的合格率。 基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，通過低壓模塊將低壓信號轉換為高壓信號。 所述低壓模塊的電源正端為第一電平VCC、負端為接地的第二電平，所述第一電平大于第二 電平，第一電平和第二電平構成低壓電源；所述低壓信號的高電平為所述第一電平、低電平 為所述第二電平；所述高壓信號的高電平為第三電平VB、低電平為第四電平VS，所述第三 電平大于第四電平，第三電平和第四電平構成高壓電源；其中 所述低壓模塊包括高壓匿OS柵源控制電路以及高壓匿OS，所述高壓匿OS柵源控 制電路接收所述低壓信號，高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端分別連接 所述高壓匿OS的柵極和源極，在高壓匿OS的柵極與源極之間提供恒定電壓，若所述恒定電 壓大于高壓匿OS的閾值電壓，由于所述第三電平VB向高壓匿OS的漏極供電，高壓匿OS導通。 所述高壓匿OS柵源控制電路包括選擇模塊和負溫度特性電壓源，所述選擇模塊 調節所述負溫度特性電壓源兩端的輸出電壓壓差。 所述選擇模塊包括脈沖發生電路、反向器、第一 PMOS管、第一 NMOS管和第一電阻， 所述脈沖發生電路的輸入端接收所述低壓信號，脈沖發生電路的輸出端通過反向器連接到 第一 PMOS管和第一 NMOS管的柵極，第一 PMOS管的漏極連接第一 NMOS管的漏極，第一 PMOS 管的源極連接所述低壓電源正端，第一NMOS管的源極連接所述低壓電源負端，第一電阻一 端連接第一 PMOS管的漏極和第一 NMOS管的漏極，第一電阻的另一端和第一 NMOS管的源極 分別為所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個二極管或數個二極管(Dl， ... ， Dn)串聯后構成，利用的是PN結正向導通時的負溫度特性。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿0S柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個基極與集電極短接的NPN管或數個基極與集電極短接 的NPN管(Tl，... ，Tn)串聯后構成。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿0S柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個柵極與漏極短接、源極與襯底短接的第二 NM0S管或數 個柵極與漏極短接、源極與襯底短接的第二 NM0S管(Ml， . . . ， Mn)串聯構成。
所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿0S柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由具有負溫度系數的第二電阻(如P0LY電阻)，同時，所述第 一電阻為具有正溫度系數的電阻(如BASE電阻)。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿0S柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個齊納二極管構成。 本發明有益效果是通過直接控制高壓匿0S的源漏間電壓實現電平轉換電路，可 以在全溫度范圍內有效保證高壓匿OS的適時關斷和導通，而無須關心BCD工藝中高壓匿OS 的導通電阻的離散性，保證電平轉換電路的高壓模塊能獲得低壓模塊的信號，電平轉換電 路的失效率降低，提高了高壓集成電路的合格率，而且實現方法非常簡單。
圖1傳統的基于高壓匿0S實現的電平轉換電路 圖2A導通電阻較大的高壓匿0S的輸出特性示意圖 圖2B導通電阻較小的高壓匿0S的輸出特性示意圖 圖3本發明基于高壓匿0S實現的電平轉換電路一 圖4本發明基于高壓匿0S實現的電平轉換電路二 圖5本發明基于高壓匿0S實現的電平轉換電路三 圖6本發明基于高壓匿0S實現的電平轉換電路四 圖7本發明基于高壓匿0S實現的電平轉換電路五
具體實施例 以下結合附圖對本發明內容進一步說明。 基于高壓匿0S實現的電平轉換電路，如圖3 圖7所示，通過低壓模塊將低壓信 號轉換為高壓信號，所述低壓模塊的電源正端為第一電平VCC、電源負端為接地的第二電 平，所述第一電平大于第二電平，第一電平和第二電平構成低壓電源；所述低壓信號的高電 平為所述第一電平、低電平為所述第二電平；所述高壓信號的高電平為第三電平VB、低電 平為第四電平VS，所述第三電平大于第四電平，第三電平和第四電平構成高壓電源；其中
所述低壓模塊包括高壓匿0S柵源控制電路以及高壓匿0S，所述高壓匿OS柵源控 制電路接收所述低壓信號，高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端分別連接 所述高壓匿OS的柵極和源極，在高壓匿OS的柵極與源極之間提供恒定電壓，若所述恒定電 壓大于高壓匿OS的閾值電壓，由于所述第三電平VB向高壓匿OS的漏極供電，高壓匿OS導 通。
所述高壓匿OS柵源控制電路包括選擇模塊和負溫度特性電壓源，所述選擇模塊 調節負溫度特性電壓源兩端的輸出電壓壓差。 本發明的選擇模塊和負溫度特性電壓源采用公知技術，附圖3 附圖7分別舉例 說明了負溫度特性電壓源的實現方法，但附圖3 圖7僅是對發明的舉例說明，而不是對本 發明的限制。 所述選擇模塊包括脈沖發生電路(45)、反向器(41)、第一 PM0S管(43)、第一 NM0S 管(42)和第一電阻(44)，所述脈沖發生電路(45)的輸入端接收所述低壓信號，脈沖發生電 路(45)的輸出端通過反向器(41)連接到第一PMOS管(43)和第一NMOS管的柵極(42)，第 一PM0S管(43)的漏極連接第一NMOS管的漏極(42)，第一PM0S管(43)的源極連接所述低 壓電源正端，第一NMOS管(42)的源極連接所述低壓電源負端，第一電阻(44) 一端連接第 一PMOS管(43)的漏極和第一NMOS管(42)的漏極，第一電阻(44)的另一端和第一NMOS 管(42)的源極分別為所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端。
所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個二極管或數個二極管(Dl， ... ， Dn)串聯后構成，利用 的是PN結正向導通時的負溫度特性，如圖3所示。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個基極與集電極短接的NPN管或數個基極與集電極短接 的NPN管(Tl，...，Tn)串聯后構成，如圖4所示。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個柵極與漏極短接、源極與襯底短接的第二 NMOS管或數 個柵極與漏極短接、源極與襯底短接的第二 NMOS管(Ml， . . . ， Mn)串聯構成，如圖5所示。
所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由具有負溫度系數的第二電阻(如POLY電阻)，同時所述第一 電阻為具有正溫度系數的電阻(如BASE電阻)，如圖6所示。 所述負溫度特性電壓源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控 制端，所述負溫度特性電壓源由一個齊納二極管構成，如圖7所示。 為進一步說明本發明的實現，圖3所示還提供了基于高壓匿0S實現的電平轉換電
路同高壓模塊(51)的連接，所述高壓模塊(51)包括降壓電阻(55)、鉗位二極管(53)、反
向器(52)，所述降壓電阻(55)的一端、鉗位二極管(53)的陰極、反相器(52)的輸入端連接
高壓DM0S(47)的漏極，鉗位二極管(53)的陽極連接第四電平VS，降壓電阻(55)的另一端
連接第三電平VB，反向器(52)的輸出端連接輸出信號處理模塊(54)。 如圖3 圖7所示的基于高壓匿0S實現的電平轉換電路的工作方法為 (1)當脈沖發生電路(45)輸出基于所述低壓電源的低電平時，由于高壓DM0S(47)
的源極恒接地，高壓DM0S(47)關斷，高壓模塊內的反向器(52)輸入端為基于所述高壓電源
的高電平，輸出信號處理模塊(54)接收到基于所述高壓電源的低電平。 (2)當脈沖發生電路(47)輸出基于所述低壓電源的高電平時，高壓DM0S(47)的柵
源電壓等于負溫度特性電壓源(43)的電壓Vcon，計Vcon的值大于高壓DM0S(47)的閾值電
壓Vth，高壓匿0S (47)導通，并且能保證I在y A的數量級( 一般在0. 1 ii A 10 ii A間)，
導通電流為
I = i (Vcon _ Vth)2 I是一個相對離散的量，但只需要為高壓模塊的降壓電阻(55)設計一個適當的阻 值R，并為反向器(52)設計一個較高的低電平閾值電壓VL，保證
VB_I*R<VL 則反向器(52)的輸入為基于所述高壓電源的低電平，從而使輸出信號處理模塊 (54)獲得基于所述高壓電源的高電平。 由于高壓匿OS的閾值電壓Vth呈單調負溫度特性，設計適當的負溫度系數電壓 源，能夠做到Vcon電壓與Vth電壓基本同步，從而實現電平轉換電路在產品的全溫度范圍 內正常工作。 應該理解到的是，上述實施例只是對本發明的說明，而不是對本發明的限制，任何 不超出本發明實質精神范圍內的發明創造，均落入本發明保護范圍之內。
權利要求
基于高壓DMOS實現的電平轉換電路，其特征在于通過低壓模塊將低壓信號轉換為高壓信號，所述低壓模塊的電源正端為第一電平VCC、電源負端為接地的第二電平，所述第一電平大于第二電平，第一電平和第二電平構成低壓電源；所述低壓信號的高電平為所述第一電平、低壓信號的低電平為所述第二電平；所述高壓信號的高電平為第三電平VB、高壓信號的低電平為第四電平VS，所述第三電平大于第四電平，第三電平和第四電平構成高壓電源；其中，所述基于高壓DMOS實現的電平轉換電路，其特征所述低壓模塊包括高壓DMOS柵源控制電路以及高壓DMOS，所述高壓DMOS柵源控制電路接收所述低壓信號，高壓DMOS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端分別連接所述高壓DMOS的柵極和源極，在高壓DMOS的柵極與源極之間提供恒定電壓，若所述恒定電壓大于高壓DMOS的閾值電壓，由于所述第三電平VB向高壓DMOS的漏極供電，高壓DMOS導通。
2. 如權利要求1所述基于高壓匿0S實現的電平轉換電路，其特征所述高壓匿0S柵源 控制電路包括選擇模塊和負溫度特性電壓源，所述選擇模塊調節負溫度特性電壓源兩端的 輸出電壓壓差。
3. 如權利要求2所述基于高壓匿0S實現的電平轉換電路，其特征所述選擇模塊包括 脈沖發生電路、反向器、第一PMOS管、第一NMOS管和第一電阻，所述脈沖發生電路的輸入端 接收所述低壓信號，脈沖發生電路的輸出端通過反向器連接到第一 PMOS管和第一 NMOS管 的柵極，第一 PMOS管的漏極連接第一 NMOS管的漏極，第一 PMOS管的源極連接所述低壓模 塊的電源正端，第一NMOS管的源極連接所述低壓模塊的電源負端，第一電阻一端連接第一 PMOS管的漏極和第一 NMOS管的漏極，第一電阻的另一端和NMOS管的源極分別為所述高壓 匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端。
4. 如權利要求2所述基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，其特征所述負溫度特性電壓 源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端，所述負溫度特性電壓源 由 一個二極管或數個二極管串聯后構成。
5. 如權利要求2所述基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，其特征所述負溫度特性電壓 源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端，所述負溫度特性電壓源 由一個基極與集電極短接的NPN管或數個基極與集電極短接的NPN管串聯后構成。
6. 如權利要求2所述基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，其特征所述負溫度特性電壓 源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端，所述負溫度特性電壓源 由一個柵極與漏極短接、源極與襯底短接的第二 NMOS管或數個柵極與漏極短接、源極與襯 底短接的第二 NMOS管串聯構成。
7. 如權利要求2所述基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，其特征所述負溫度特性電壓 源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端，所述負溫度特性電壓源 由具有負溫度系數的第二電阻，同時所述第一電阻為具有正溫度系數的電阻。
8. 如權利要求2所述基于高壓匿OS實現的電平轉換電路，其特征所述負溫度特性電壓 源連接所述高壓匿OS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端，所述負溫度特性電壓源 由一個齊納二極管構成。
全文摘要
基于高壓DMOS實現的電平轉換電路，通過低壓模塊將低壓信號轉換為高壓信號，所述低壓模塊包括高壓DMOS柵源控制電路以及高壓DMOS，所述高壓DMOS柵源控制電路接收低壓信號，高壓DMOS柵源控制電路的第一控制端和第二控制端在高壓DMOS的柵極與源極之間提供恒定電壓，當恒定電壓大于高壓DMOS閾值電壓時，高壓DMOS導通。本發明通過直接控制高壓DMOS的源漏間電壓實現電平轉換電路，可以在全溫度范圍內有效保證高壓DMOS的適時關斷和導通，而無須關心BCD工藝中高壓DMOS的導通電阻的離散性，保證電平轉換電路的高壓模塊能獲得低壓模塊的信號，有效地提高高壓集成電路的合格率，實現方法簡單。
文檔編號H03K19/0185GK101719764SQ200910153180
公開日2010年6月2日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者馮宇翔 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司