ESD防护研究和宽负载范围的高效DC-DC转换器设计

摘要

随着便携式电子产品的发展和增多，其对电源的需求也越来越高，提高电源管理芯片的效率是设计中需要考量的关键因素之一;同时，随着半导体工艺的进步，静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)现象对芯片的危害日益严重。在电源管理芯片设计的过程中，研究相应的片上ESD防护器件及电路，增强全芯片静电防护能力也是非常重要的。本文基于华润上华0.5μ m BCD工艺，对ESD防护器件进行研究设计及流片验证。利用TCAD软件Silvaco仿真平台，对比传输线脉冲(TLP，Transmission Line Pulse)测试结果进行仿真拟合;基于Smic0.13μm CMOS工艺进行DC-DC转换器的电路设计和前仿。研究内容主要包括:
　　1.研究ESD物理机制及器件仿真所用的物理模型。分析关键模型参数对ESD器件仿真结果的影响，主要包括掺杂浓度对触发电压的影响、结宽对维持电压的影响和载流子寿命对维持电压的影响等。通过对器件仿真中物理模型参数的调整，实现对MOS器件、可控硅(SCR，Silicon Controlled Rectifier)器件触发电压和维持电压的校准。使用同一组参数对以上共五个器件进行仿真，并与TLP测试结果比较，使触发电压与维持电压的相对误差控制在10％以内。然后运用仿真得到的物理模型参数对四个双向SCR器件进行仿真预测，并与TLP测试进行比较。
　　2.通过研究和设计新型的ESD防护结构，改进其ESD耐压值和鲁棒性。分别进行了双向SCR结构的设计和创新以及保护环版图结构的研究和改进。并且进行了Silvaco平台的Atlas仿真分析，流片验证以及TLP测试。测试结果表明改进后的结构可以有效改善ESD防护器件的耐压能力和鲁棒性。
　　3.研究和设计降压型DC-DC转换器环路，依据电压模式，采用脉冲宽度调制的控制方式实现了从3.3V到1.2V的电压转化，其工作频率为1MHz。其中整个环路主要包含主电路、误差放大器、锯齿波发生器、比较器、死区控制及驱动电路、电平转换电路、电流检测电路、逻辑控制电路这几个模块。
　　4.在控制环路中加入电流检测模块和逻辑控制电路，从而改善DC-DC转换器在负载电流变小时转换效率大幅降低的问题。通过分裂晶体管的方法并进行自动调整，减少小负载电流时工作的晶体管个数，从而降低功耗，提高效率。四组仿真结果显示，在20-500mA的宽负载范围内，采用分裂晶体管的方法之后可以将效率提高到85％以上。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 ESD现象概述及静电放电模型

1．2 集成电路中ESD测试方法

1．3 电源管理芯片研究背景及现状

1．4 电源管理芯片的ESD防护研究背景及现状

1．5 本论文主要工作及各章安排

第2章 基于TCAD软件的ESD仿真介绍

2．1 仿真流程简介

2．2 ESD仿真中物理模型的选择

2．3 物理模型中关键性能参数对仿真结果的影响

2．4 器件仿真中收敛性问题的处理

2．5 本章小结

第3章 ESO防护器件的测试仿真与分析设计

3．1 常见I／O接口的ESD防护器件及电路

3．2 MOS类器件仿真拟合

3．2．1 结构描述及原理分析

3．2．2 测试结果与仿真拟合

3．3 LSCR器件仿真拟合

3．3．1 结构描述及原理分析

3．3．2 测试结果与仿真拟合

3．4 MLSCR器件仿真拟合

3．4．1 结构描述及原理分析

3．4．2 测试结果与仿真拟合

3．5 双向SCR类器件研究设计

3．5．1 双向SCR类器件触发电压及维持电压的研究

3．5．2 提高双向SCR器件耐压值的研究与设计

3．6 保护环版图结构对ESD防护器件耐压能力的影响

3．6．1 LDBOS-SGR结构及其非均匀开启

3．6．2 保护环版图结构的设计

3．6．3 叉指非均匀开启的仿真及测试

3．7 本章小结

第4章 DC-DC转换器

4．2．1 降压型DC-DC转换器

4．2．2 升压型DC-DC转换器

4．3 DC-DC转换器的调制方式

4．3．1 脉冲宽度调制(PWM)

4．3．2 脉冲频率调制(PFM)

4．4 DC-DC转换器效率研究

4．4．1 DC-DC转换器的功耗损失

4．4．2 DC-DC转换器的效率

4．5 本章小结

第5章 宽负载范围的高效降压型DC-DC转换器设计

5．1 基本原理与系统结构

5．2 具体电路设计

5．2．1 主电路中储能器件的选择

5．2．2 误差放大器

5．2．3 锯齿波发生器

5．2．4 PWM比较器

5．2．5 死区及驱动电路

5．2．6 电平转换电路

5．2．7 电流检测电路

5．2．8 分裂晶体管

5．2．9 逻辑控制电路

5．3 整体电路仿真与分析

5．4 本设计与其他设计的比较

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

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