CN101719764A - 基于高压dmos实现的电平转换电路 - Google Patents

Abstract

基于高压DMOS实现的电平转换电路，通过低压模块将低压信号转换为高压信号，所述低压模块包括高压DMOS栅源控制电路以及高压DMOS，所述高压DMOS栅源控制电路接收低压信号，高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端在高压DMOS的栅极与源极之间提供恒定电压，当恒定电压大于高压DMOS阈值电压时，高压DMOS导通。本发明通过直接控制高压DMOS的源漏间电压实现电平转换电路，可以在全温度范围内有效保证高压DMOS的适时关断和导通，而无须关心BCD工艺中高压DMOS的导通电阻的离散性，保证电平转换电路的高压模块能获得低压模块的信号，有效地提高高压集成电路的合格率，实现方法简单。

Description

基于高压DMOS实现的电平转换电路

技术领域

本发明涉及电平转换技术，尤其涉及高压集成电路(HVIC)中的信号从低压模块转移到高压模块的电平转换电路，该电平转换电路基于高压DMOS实现。

背景技术

高压集成电路是一种带有欠压保护、逻辑控制等功能的栅极驱动电路，它将电力电子与半导体技术结合，逐渐取代传统的分立元件，越来越多地被应用在IGBT、大功率MOSFET的驱动领域。高压集成电路的核心部分是电平转换电路，该电路的功能是在同一晶圆上将对地0～15V的信号转换成对地600V～615V的信号。

目前应用于高压集成电路的电平转换电路采用恒定电流源控制高压DMOS导通的形式，如图1所示，包括低压模块和高压模块：

所述低压模块(11)由低压电源供电，所述低压电源的正端为VCC、负端为GND，低压信号输入到脉冲发生电路(16)的输入端，脉冲发生电路(16)的输出端控制模拟开关(14)的通断；模拟开关(14)一端与电流源(15)相连，另一端与第一NPN管(13)相连；第一NPN管(13)与第二NPN管(12)构成镜像电流结构；第二NPN管(12)的集电极与高压DMOS(17)的源极相连；高压DMOS(17)的栅极接VCC，漏极连接高压模块(21)。

所述高压模块(21)由高压电源供电，所述高压电源的正端为VB、负端为VS，高压DMOS(17)的漏极接降压电阻(25)、钳位二极管(23)的阴极、反向器(22)的输入端；钳位二极管(23)的阳极与VS相连，降压电阻(25)的另一端与VB相连，反向器(22)的输出端连接输出信号处理模块(24)。

图1所示的基于高压DMOS实现的电平转换电路的工作方式为：

(1)当脉冲发生电路(16)输出基于所述低压电源的低电平时，模拟开关(14)关断，电流源(15)不起作用，第一NPN管(13)和第二NPN管(12)截止，高压DMOS(17)截止，高压DMOS(17)的漏端电压与VB相同，高压模块反向器(22)的输入为基于所述高压电源的高电平，输出信号模块(24)接收到基于所述高压电源的低电平；

(2)当脉冲发生电路(16)输出基于所述低压电源的高电平时，模拟开关(14)导通，电流源(15)与第一NPN管(13)形成通路，第二NPN管(12)产生镜像电流I，高压DMOS(17)被强制产生漏源电流I，源极电压与基极产生压差，当压差大于高压DMOS(17)的阈值电压，则高压DMOS导通。

为降压电阻(25)设计适当的阻值R，使：

I·R≈15V

则流过降压电阻(25)的电流I1≈I，流过钳位二极管(23)的电流I2≈0，反向器(22)的输入端为基于所述高压电源的低电平，输出信号处理模块(24)接收到基于所述高压电源的高电平。

通过上面分析，此设计方法的关键是镜像电流I的确定，如果I设计得太小，可能会导致高压DMOS无法进入饱和区而不能导通，如果I设计得过大，在VS为高电压时，会导致高压DMOS进入击穿区而造成电路烧毁，而I设计得是否合适，是根据高压DMOS的导通电阻决定的，决定高压DMOS导通电阻的因素很多，包括高压DMOS漂移区扩散深度、宽度，漂移区掺杂，漂移区结构，源区掺杂，漏区长度、掺杂浓度，衬底掺杂，栅极过量电荷等等，高压DMOS导通电阻表现出来的温度特性也较为复杂。对于某些BCD工艺，生产出的高压DMOS的导通电阻离散性较大，I非常不好确定，对于固定的I，经常会因为I值过小而使电平无法转移，或者I值过大而造成芯片烧毁。

图2A是一个导通电阻较大的高压DMOS的输出特性示意图，图2B是一个导通电阻较小的高压DMOS的输出特性示意图：(1)如果选择某一固定的IL作为导通电流，则图2A的高压DMOS能够工作在饱和区实现电平的转移，但图2B的高压DMOS却只能工作在三极管区，未能导通，信号无法向高压区传输；(2)如果选择某一固定的IH作为导通电流，则图2B的高压DMOS能够工作在饱和区实现电平的转移，但图2A的高压DMOS却已在Vds＝600V时进入了击穿区，造成电路烧毁。

由于上述原因，将高压DMOS的导通电流设为固定值的电平转换电路很容易失效，导致高压集成电路的合格率很低。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种基于高压DMOS实现的电平转换电路，该电平转换电路克服BCD工艺中由高压DMOS的导通电阻离散性大而引起的问题，提高高压集成电路的合格率。

基于高压DMOS实现的电平转换电路，通过低压模块将低压信号转换为高压信号。所述低压模块的电源正端为第一电平VCC、负端为接地的第二电平，所述第一电平大于第二电平，第一电平和第二电平构成低压电源；所述低压信号的高电平为所述第一电平、低电平为所述第二电平；所述高压信号的高电平为第三电平VB、低电平为第四电平VS，所述第三电平大于第四电平，第三电平和第四电平构成高压电源；其中：

所述低压模块包括高压DMOS栅源控制电路以及高压DMOS，所述高压DMOS栅源控制电路接收所述低压信号，高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端分别连接所述高压DMOS的栅极和源极，在高压DMOS的栅极与源极之间提供恒定电压，若所述恒定电压大于高压DMOS的阈值电压，由于所述第三电平VB向高压DMOS的漏极供电，高压DMOS导通。

所述高压DMOS栅源控制电路包括选择模块和负温度特性电压源，所述选择模块调节所述负温度特性电压源两端的输出电压压差。

所述选择模块包括脉冲发生电路、反向器、第一PMOS管、第一NMOS管和第一电阻，所述脉冲发生电路的输入端接收所述低压信号，脉冲发生电路的输出端通过反向器连接到第一PMOS管和第一NMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极，第一PMOS管的源极连接所述低压电源正端，第一NMOS管的源极连接所述低压电源负端，第一电阻一端连接第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极，第一电阻的另一端和第一NMOS管的源极分别为所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个二极管或数个二极管(D1，...，Dn)串联后构成，利用的是PN结正向导通时的负温度特性。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个基极与集电极短接的NPN管或数个基极与集电极短接的NPN管(T1，...，Tn)串联后构成。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管或数个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管(M1，...，Mn)串联构成。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由具有负温度系数的第二电阻(如POLY电阻)，同时，所述第一电阻为具有正温度系数的电阻(如BASE电阻)。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个齐纳二极管构成。

本发明有益效果是：通过直接控制高压DMOS的源漏间电压实现电平转换电路，可以在全温度范围内有效保证高压DMOS的适时关断和导通，而无须关心BCD工艺中高压DMOS的导通电阻的离散性，保证电平转换电路的高压模块能获得低压模块的信号，电平转换电路的失效率降低，提高了高压集成电路的合格率，而且实现方法非常简单。

附图说明

图1传统的基于高压DMOS实现的电平转换电路

图2A导通电阻较大的高压DMOS的输出特性示意图

图2B导通电阻较小的高压DMOS的输出特性示意图

图3本发明基于高压DMOS实现的电平转换电路一

图4本发明基于高压DMOS实现的电平转换电路二

图5本发明基于高压DMOS实现的电平转换电路三

图6本发明基于高压DMOS实现的电平转换电路四

图7本发明基于高压DMOS实现的电平转换电路五

具体实施例

以下结合附图对本发明内容进一步说明。

基于高压DMOS实现的电平转换电路，如图3～图7所示，通过低压模块将低压信号转换为高压信号，所述低压模块的电源正端为第一电平VCC、电源负端为接地的第二电平，所述第一电平大于第二电平，第一电平和第二电平构成低压电源；所述低压信号的高电平为所述第一电平、低电平为所述第二电平；所述高压信号的高电平为第三电平VB、低电平为第四电平VS，所述第三电平大于第四电平，第三电平和第四电平构成高压电源；其中：

所述低压模块包括高压DMOS栅源控制电路以及高压DMOS，所述高压DMOS栅源控制电路接收所述低压信号，高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端分别连接所述高压DMOS的栅极和源极，在高压DMOS的栅极与源极之间提供恒定电压，若所述恒定电压大于高压DMOS的阈值电压，由于所述第三电平VB向高压DMOS的漏极供电，高压DMOS导通。

所述高压DMOS栅源控制电路包括选择模块和负温度特性电压源，所述选择模块调节负温度特性电压源两端的输出电压压差。

本发明的选择模块和负温度特性电压源采用公知技术，附图3～附图7分别举例说明了负温度特性电压源的实现方法，但附图3～图7仅是对发明的举例说明，而不是对本发明的限制。

所述选择模块包括脉冲发生电路(45)、反向器(41)、第一PMOS管(43)、第一NMOS管(42)和第一电阻(44)，所述脉冲发生电路(45)的输入端接收所述低压信号，脉冲发生电路(45)的输出端通过反向器(41)连接到第一PMOS管(43)和第一NMOS管的栅极(42)，第一PMOS管(43)的漏极连接第一NMOS管的漏极(42)，第一PMOS管(43)的源极连接所述低压电源正端，第一NMOS管(42)的源极连接所述低压电源负端，第一电阻(44)一端连接第一PMOS管(43)的漏极和第一NMOS管(42)的漏极，第一电阻(44)的另一端和第一NMOS管(42)的源极分别为所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个二极管或数个二极管(D1，...，Dn)串联后构成，利用的是PN结正向导通时的负温度特性，如图3所示。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个基极与集电极短接的NPN管或数个基极与集电极短接的NPN管(T1，...，Tn)串联后构成，如图4所示。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管或数个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管(M1，...，Mn)串联构成，如图5所示。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由具有负温度系数的第二电阻(如POLY电阻)，同时所述第一电阻为具有正温度系数的电阻(如BASE电阻)，如图6所示。

所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个齐纳二极管构成，如图7所示。

为进一步说明本发明的实现，图3所示还提供了基于高压DMOS实现的电平转换电路同高压模块(51)的连接，所述高压模块(51)包括：降压电阻(55)、钳位二极管(53)、反向器(52)，所述降压电阻(55)的一端、钳位二极管(53)的阴极、反相器(52)的输入端连接高压DMOS(47)的漏极，钳位二极管(53)的阳极连接第四电平VS，降压电阻(55)的另一端连接第三电平VB，反向器(52)的输出端连接输出信号处理模块(54)。

如图3～图7所示的基于高压DMOS实现的电平转换电路的工作方法为：

(1)当脉冲发生电路(45)输出基于所述低压电源的低电平时，由于高压DMOS(47)的源极恒接地，高压DMOS(47)关断，高压模块内的反向器(52)输入端为基于所述高压电源的高电平，输出信号处理模块(54)接收到基于所述高压电源的低电平。

(2)当脉冲发生电路(47)输出基于所述低压电源的高电平时，高压DMOS(47)的栅源电压等于负温度特性电压源(43)的电压Vcon，计Vcon的值大于高压DMOS(47)的阈值电压Vth，高压DMOS(47)导通，并且能保证I在μA的数量级(一般在0.1μA～10μA间)，导通电流为：

$I=\frac{\mathrm{\β}}{2}{(\mathrm{Vcon}-\mathrm{Vth})}^2$

I是一个相对离散的量，但只需要为高压模块的降压电阻(55)设计一个适当的阻值R，并为反向器(52)设计一个较高的低电平阈值电压VL，保证：

VB-I·R＜VL

则反向器(52)的输入为基于所述高压电源的低电平，从而使输出信号处理模块(54)获得基于所述高压电源的高电平。

由于高压DMOS的阈值电压Vth呈单调负温度特性，设计适当的负温度系数电压源，能够做到Vcon电压与Vth电压基本同步，从而实现电平转换电路在产品的全温度范围内正常工作。

应该理解到的是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征在于通过低压模块将低压信号转换为高压信号，所述低压模块的电源正端为第一电平VCC、电源负端为接地的第二电平，所述第一电平大于第二电平，第一电平和第二电平构成低压电源；所述低压信号的高电平为所述第一电平、低压信号的低电平为所述第二电平；所述高压信号的高电平为第三电平VB、高压信号的低电平为第四电平VS，所述第三电平大于第四电平，第三电平和第四电平构成高压电源；其中，所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述低压模块包括高压DMOS栅源控制电路以及高压DMOS，所述高压DMOS栅源控制电路接收所述低压信号，高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端分别连接所述高压DMOS的栅极和源极，在高压DMOS的栅极与源极之间提供恒定电压，若所述恒定电压大于高压DMOS的阈值电压，由于所述第三电平VB向高压DMOS的漏极供电，高压DMOS导通。

2.如权利要求1所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述高压DMOS栅源控制电路包括选择模块和负温度特性电压源，所述选择模块调节负温度特性电压源两端的输出电压压差。

3.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述选择模块包括脉冲发生电路、反向器、第一PMOS管、第一NMOS管和第一电阻，所述脉冲发生电路的输入端接收所述低压信号，脉冲发生电路的输出端通过反向器连接到第一PMOS管和第一NMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极，第一PMOS管的源极连接所述低压模块的电源正端，第一NMOS管的源极连接所述低压模块的电源负端，第一电阻一端连接第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极，第一电阻的另一端和NMOS管的源极分别为所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端。

4.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个二极管或数个二极管串联后构成。

5.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个基极与集电极短接的NPN管或数个基极与集电极短接的NPN管串联后构成。

6.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管或数个栅极与漏极短接、源极与衬底短接的第二NMOS管串联构成。

7.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由具有负温度系数的第二电阻，同时所述第一电阻为具有正温度系数的电阻。

8.如权利要求2所述基于高压DMOS实现的电平转换电路，其特征所述负温度特性电压源连接所述高压DMOS栅源控制电路的第一控制端和第二控制端，所述负温度特性电压源由一个齐纳二极管构成。

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