CN102394555A - 一种电源转换器、控制电路、及控制电路的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电源转换器及其控制电路，所述控制电路包括电压钳位单元、控制单元、驱动器和超高压NMOS晶体管，所述电压钳位单元用于限制电源电压不超过其钳位电压；所述控制单元以电源电压作为工作电压，并根据反馈电压输出控制信号；所述驱动器根据所述控制单元输出的控制信号产生对应的门控信号；所述门控信号通过控制超高压NMOS晶体管的栅极以控制超高压NMOS晶体管的开通和关断。这样就可以在实现控制电路的控制功能的同时，节省集成电路制造工艺的光刻步数，从而节省芯片的生产成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及电源设计领域，特别是涉及一种反激式电源转换器及其控制电路，以及所述控制电路的制造方法。
【背景技术】
现有技术中集成功率开关的反激式电源转换器的控制电路一般是采用5V/20V/600、5V/20V/700V或者5V/20V/800V工艺，这种工艺中一般至少包括栅源工作电压5V且漏源工作电压5V的低压NMOS(N-channel Metal OxideSemiconductor)晶体管和PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor)晶体管，栅源工作电压20V且漏源电压工作电压20V的中压NMOS晶体管和PMOS晶体管，栅源工作电压20V且漏源工作电压700V或者600V或者800V的超高压NMOS晶体管。栅源电压是指栅极相对源极的电压，漏源电压是指漏极相对源极的电压。栅源耐受电压由栅氧厚度决定，栅氧厚度越大，其耐受的电压越高。对于存在两种不同栅极电压的工艺来说，需要额外的光刻掩膜版来定义那些需加厚栅氧的区域。
请参考图1所示，其为现有技术中反激式电源转换器的控制电路的电路示意图。所述控制电路包括电压钳位单元110、低压差电压调节器LDO(lowdropout regulator)120、控制单元130、电平移动单元140、驱动器150和超高压NMOS晶体管MNUHV1。所述电压钳位单元110连接于电源电压VDD和地G之间，其用于限制所述电源电压VDD不超过其钳位电压，所述钳位电压为20V。所述低压差电压调节器LDO120连接于电源电压VDD和地G之间，其用于将电源电压VDD转换为5V的输出电压。所述控制单元130连接于所述低压差电压调节器LDO120的输出端VLDO和地G之间，其用于根据反馈电压FB输出控制信号Duty。所述电平移动单元140连接于电源电压VDD和低压差电压调节器LDO的输出端与地G之间，其用于将控制信号Duty进行电平转换，具体的，所述电平移动单元140将高电平为5V，低电平为0V的控制信号Duty转化为高电平等于VDD，低电平为0V的信号。所述驱动器150连接于电源电压VDD和地G之间，其用于根据所述电平移动单元140输出的信号产生对应的门控信号Gate。所述超高压NMOS晶体管MNUHV1的漏极与开关节点SW相连，其源极与地G相连，其栅极与所述驱动器150的输出相连，这样所述超高压NMOS晶体管MNUHV1的栅源耐受电压可以为20V，所述门控信号Gate通过控制超高压NMOS晶体管MNUHV1的栅极以控制超高压NMOS晶体管MNUHV1的开通和关断。
请参考图2所示，其为现有技术中的电源转换器的电路示意图。该电源转换器为AC-DC(交流-直流)电源转换器。所述电源转换器主要包括输入电压生成电路210、感应输出电路220、反馈电压采样电路230和控制电路240。所述控制电路240可以为图1中的控制电路。其中，所述输入电压生成电路210包括全桥整流器FullBridge及由电感Lp、电容Cp1和电容Cp2构成的π型滤波器，220V交流经过全桥整流，及π型滤波器滤波后变成存在一定波动的接近直流的电压Vin，此电压在300V左右。所述感应输出电路220包括隔离的主级电感Np和次级电感Ns，其主级电感Np的一端与电压Vin相连，其另一端通过所述控制电路240中的超高压NMOS晶体管MNUHV1接地，次级侧还包括二极管D3、电容C2和二极管D4。负载电阻RL与电容C2并联，其两端的电压为输出电压Vo。所述反馈电压采样电路230包括辅助级电感Na及两个分压电阻R4和R5。所述控制电路240控制其内的超高压NMOS晶体管MNUHV1的开通和关断，从而控制主级电感Np与地之间的接通和关断。所述电源转换器还包括有串联在输入电压Vin和地之间的启动电阻R1和电容C1，启动电阻R1一般大于1M欧姆。电压Vin通过大电阻R1慢慢的对电容C1充电，当充到20V时，被所述控制电路240箝位，所述控制电路240开始靠储存在电容C1上的电荷供电工作，启动过程中，随着电容C1放电，电源电压VDD会先慢慢下降，当启动到一定程度，次级输出电压Vo上升，通过电感Ns耦合到电感Na上的电压升高，电感Na上的感应电压经过二极管D2，电阻R3对电容C1充电，这样电压VDD又开始上升。电感Na的耦合电压大致与Na/Ns成正比，与输出电压Vo成正比。例如，输出电压Vo为5V，Na/Ns设为3∶1，正常稳定工作时，电压VDD会被电感Na充电至约等于15V。这里的Na/Ns是指变压器的辅助级线圈匝数与次级线圈匝数之比。
由图1和图2可知，现有电源转换器中的所述电压箝位单元110、低压差电压调节器LDO120、电平移动单元140和驱动单元150包括栅源工作电压20V且漏源电压工作电压20V的中压NMOS晶体管和PMOS晶体管。所述控制单元130包括栅源工作电压5V且漏源工作电压5V的低压NMOS晶体管和PMOS晶体管。超高压NMOS管MNUHV1的栅源电压为20V，其漏源电压可以为700V或者600V或者800V，700V或者600V或者800V是根据不同国家电网电压不同，及其标准规定不同而选择。由于在现有技术中，所述反激式电源转换器的控制电路需要两种不同的栅源耐受电压，因此，在其制作工艺中需要额外的光刻掩膜版来定义那些需加厚栅氧的区域。在集成电路制造工艺中，芯片成本近似正比于光刻步数。格外的光刻步数将增加芯片的生产成本。
因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种电源转换器的控制电路，其可以在实现控制功能的同时，节省集成电路制造工艺的光刻步数。
本发明的目的之二在于提供一种电源转换器，其控制电路在实现控制功能的同时，节省集成电路制造工艺的光刻步数。
本发明的目的之三在于提供一种电源转换器的控制电路的制造方法，其节省集成电路制造工艺的光刻步数。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，本发明提出一种电源转换器的控制电路，其包括电压钳位单元、控制单元、驱动器和超高压NMOS晶体管，所述电压钳位单元用于限制电源电压不超过其钳位电压；所述控制单元以电源电压作为工作电压，并根据反馈电压输出控制信号；所述驱动器根据所述控制单元输出的控制信号产生对应的门控信号；所述门控信号通过控制超高压NMOS晶体管的栅极以控制超高压NMOS晶体管的开通和关断。
在一个进一步的实施例中，所述电压钳位单元、所述控制单元、所述驱动器中的MOS晶体管的栅源耐受电压以及所述超高压NMOS晶体管的栅源耐受电压相同，且小于等于所述钳位电压。
根据本发明的另一方面，本发明提出一种电源转换器，其包括控制电路，所述控制电路包括电压钳位单元、控制单元、驱动器和超高压NMOS晶体管，所述电压钳位单元用于限制电源电压不超过其钳位电压；所述控制单元以电源电压作为工作电压，并根据反馈电压输出控制信号；所述驱动器根据所述控制单元输出的控制信号产生对应的门控信号；所述门控信号通过控制超高压NMOS晶体管的栅极以控制超高压NMOS晶体管的开通和关断。
根据本发明的再一方面，本发明提出一种电源转换器的控制电路的制造方法，其包括：高压深N阱注入；进行低压N阱注入；通过光刻形成有源区；进行多晶硅淀积；注入重掺杂P型杂质；注入重掺杂N型杂质；通过光刻形成接触孔；和溅射第一金属层。
与现有技术相比，在本发明中，其可以在实现控制电路的控制功能的同时，节省集成电路制造工艺的光刻步数，从而节省芯片的生产成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1其为现有技术中反激式电源转换器的控制电路的电路示意图；
图2为现有技术中包括控制电路的电源转换器的电路示意图；
图3为本发明中的电源转换器的控制电路在一个实施例中的电路图；和
图4为制造本发明中的电源转换器的控制电路的工艺步骤流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本文中的“连接”、“相接”、“接至”等涉及到电性连接的词均可以表示直接或间接电性连接。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
请参考图3所示，其为本发明中的电源转换器的控制电路在一个实施例中的电路图。所述控制电路包括电压钳位单元110、控制单元130、驱动器150和超高压NMOS晶体管MNUHV1。
所述电压钳位单元110连接于电源电压VDD和地G之间，其用于限制输入电源电压VDD的电压不超过其钳位电压。在本实施例中，所述电压钳位电路的钳位电压为5V，即其可以钳位输入电压VDD不超过5V。
所述控制单元130连接于电源电压VDD和地G之间，其直接以电源电压VDD作为其工作电压，并根据反馈电压FB输出控制信号Duty。
所述驱动器150连接于电源电压VDD和地G之间，其用于根据所述控制单元130输出的控制信号Duty产生对应的门控信号Gate。
所述超高压NMOS晶体管MNUHV1的漏极与开关节点SW相连，其源极与地G相连，其栅极与所述驱动器150的输出相连，门控信号Gate通过控制超高压NMOS晶体管MNUHV1的栅极来控制超高压NMOS晶体管MNUHV1的开通和关断。
图3和图1的区别在于，省去了所述低压差电压调节器LDO120和电平移动单元140，所述电压钳位单元、所述控制单元、所述驱动器中的MOS晶体管的栅源耐受电压以及所述超高压NMOS晶体管的栅源耐受电压相同，且小于等于所述钳位电压。在图3中，将所述电压钳位单元110的钳位电压设计为5V，并通过电源电压VDD直接对所述控制单元130供电。所述驱动电路150根据所述控制单元130输出的Duty信号产生对应的门控信号Gate，该信号高电平时为VDD，低电平时为0V，由于VDD电压小于钳位电压5V，因此，所述超高压NMOS晶体管MNUHV1的栅源耐受电压可以设计为5V。这样超高压NMOS晶体管MNUHV1采用较薄栅氧器件，其栅源电压仅耐受5V即可，其漏源电压需承受超高压，例如700V或者600V或者800V。从而超高压器件MNUHV1可以采用和控制单元130中低压MOS器件一样的薄栅氧，可以在一次光刻中同时形成，而现有技术需要两次独立的光刻。
图3中的电源转换器的控制电路与图1中的相比，无需栅源工作电压20V且漏源工作电压20V的中压NMOS晶体管和PMOS晶体管，同时超高压NMOS的栅源电压为5V，漏源电压为700V或者600V或者800V。这样仅需要一层承受5V的栅氧即可，另外还可以节省制造20V中压器件的其他光刻掩膜版。节省光刻掩膜版的同时也节省的光刻步数，从而节省芯片的生产成本。
上述例子只是为了方便描述，实际设计中低压MOS器件的栅源耐压和漏源耐压可以为其他值，如6V。如果低压MOS器件的栅源耐压和漏源耐压都是6V，所述电压箝位单元110的箝位电压也设计为6V，正常工作时VDD的电压可以设置为5V或5.5V，只要低于箝位电压即可。同时超高压NMOS晶体管的栅极耐压也设计为6V。与低压器件的栅极采用相同结构，相同材料和相同的栅氧厚度，在相同的光刻步骤中形成。
本发明的控制电路仍可以应用于图2的电源转换器中，只要Na/Ns可以设定使得正常稳定工作时，VDD的电压小于所述控制电路的钳位电压。例如，若所述控制电路的钳位电压为5V。如果次级输出Vo等于5V，可以设定Na/Ns＝4∶5.这样，正常稳定工作时，VDD的电压等于4V左右。
图4为制造本发明中的图1所示的电源转换器的控制电路的工艺步骤。
步骤410，高压深N阱注入。
在基底材料上进行高压深N阱注入以形成超高压MOS晶体管漏极区的漂移区，来承受超高电压。
步骤420，进行低压N阱注入，以形成所述控制电路低压PMOS晶体管的衬体(Body)。
步骤430，通过光刻形成有源区，为后续各种重掺杂做准备。
步骤440，进行多晶硅淀积，以同时形成超高压和低压MOS晶体管的栅极。
步骤450，注入重掺杂P型杂质，以形成超高压MOS晶体管和低压NMOS晶体管的衬体，以及低压PMOS晶体管的源极和漏极。
步骤460，注入重掺杂N型杂质，形成超高压NMOS晶体管的源极区域和漏极接触区(不包含漂移区)，和低压NMOS晶体管的源极和漏极，以及低压PMOS晶体管的衬体接触区域。其中步骤450和步骤460的顺序可以交换，即可以先进行注入重掺杂N型杂质的步骤，后进行注入重掺杂P型杂质的步骤。
步骤470，通过光刻形成接触孔，以便在下一步溅射金属层时，形成金属与多晶硅栅极的接触，以及金属与N型有源区和P型有源区的接触。
步骤480，溅射第一金属层，形成各种器件的相互连接，构成最终的控制电路。
图4描述的是基本必需的工艺步骤，根据实际产品的应用不同，不偏离本发明原理，可以增加一些辅助步骤，如制造高精度多晶硅电阻以便提高控制精度，更多的金属层用于易于布局布线，以便芯片面积的小型化。有些情形也可添加钝化层淀积和压焊区开孔刻蚀，以便易于封装。
本发明的原理是将所述电压钳位单元、所述控制单元、所述驱动器中的MOS晶体管的栅源耐受电压以及所述超高压NMOS晶体管的栅源耐受电压设计的相同相同，且小于等于所述钳位电压。从而使所述电压钳位单元和超高压NMOS晶体管MNUHV1可以采用和所述控制电路中的低压器件一样的薄栅氧，可以在一次光刻中同时形成，同时还可以省去所述控制电路中所需的中压MOS器件，从而在实现所述控制电路的控制功能的同时，节省集成电路制造工艺的光刻步数，从而节省芯片的生产成本。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (4)
1.一种电源转换器的控制电路，其特征在于，其包括电压钳位单元、控制单元、驱动器和超高压NMOS晶体管，
所述电压钳位单元用于限制电源电压不超过其钳位电压；
所述控制单元以电源电压作为工作电压，并根据反馈电压输出控制信号；
所述驱动器根据所述控制单元输出的控制信号产生对应的门控信号；
所述门控信号通过控制超高压NMOS晶体管的栅极以控制超高压NMOS晶体管的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的电源转换器的控制电路，其特征在于，所述电压钳位单元、所述控制单元、所述驱动器中的MOS晶体管的栅源耐受电压以及所述超高压NMOS晶体管的栅源耐受电压相同，且小于等于所述钳位电压。
3.一种电源转换器，其特征在于，其包括如权利要求1或者2所述的控制电路。
4.一种如权利要求1所述的电源转换器的控制电路的制造方法，其特征在于，其包括：
高压深N阱注入；
进行低压N阱注入；
通过光刻形成有源区；
进行多晶硅淀积；
注入重掺杂P型杂质；
注入重掺杂N型杂质；
通过光刻形成接触孔；和
溅射第一金属层。
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