CN108233686A - 集成有功率开关管的电源管理集成电路及电源管理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成有功率开关管的电源管理集成电路及电源管理装置，所述集成有功率开关管的电源管理集成电路包括MOS芯片和主控芯片，MOS芯片包括JFET和MOSFET，JFET的输入端连接电源管理集成电路的电源输入端、输出端连接主控芯片的VDD端、受控端连接主控芯片，MOSFET的输入端连接电源管理集成电路的电源输入端；主控芯片包括脉冲宽度调制单元，脉冲宽度调制单元的输出端连接MOSFET的受控端，MOS芯片采用与主控芯片不同的制造工艺进行制造，使得MOS芯片的耐压高于主控芯片、线宽大于主控芯片。本发明将JFET集成进MOS芯片中，MOS芯片采用高压工艺、主控芯片采用低压工艺制作，使得主控芯片的产品稳定性、一致性大幅提高，芯片面积减小，整体的成本大幅下降。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理电路，特别是涉及一种集成有功率开关管的电源管理集成电路，还涉及一种集成有功率开关管的电源管理装置。
背景技术
AC-DC电源管理集成电路，采用主要控制管理电路模块(简称主控IC，后同)+高压功率开关管(主流为金属氧化物半导体场效应管MOSFET)方式，出于成本和小型化的要求，很多采用内置功率开关管。
图1是一种AC-DC电源管理集成电路驱动LED的典型应用电路。交流输入(AC IN)进行交直流转换以后得到的直流输入Vin通过DRN引脚输入集成电路U1，给集成电路U1提供工作电压。集成电路U1的FB引脚反馈得到的电压通过内置的脉冲宽度调制(PWM)单元控制功率MOSFET的导通与关闭，从而控制ISEN引脚输出的电压大小。
传统的AC-DC电源管理集成电路包括以下方案：
1、采用低压主控IC+高压MOSFET双芯片方案，双基岛框架封装。应用电路中，需要外围电路给主控IC供电，电路复杂程度增加。
2、采用高压工艺，主控部分和高压开关管做在一个芯片中，单芯片采用单基岛框架封装。整个芯片必须采用高压工艺(耐压达到500-700V)，成本较高，由于高压工艺比低压工艺(例如耐压达到5V-40V的工艺)线宽要大(例如高压工艺线宽0.5微米-0.8微米，低压工艺0.18微米-0.35微米)，芯片占用面积较大，且工艺成熟度和稳定性不如低压工艺。
发明内容
为了解决传统的AC-DC电源管理集成电路存在的问题，有必要提供一种新型的集成有功率开关管的电源管理集成电路。
一种集成有功率开关管的电源管理集成电路，包括MOS芯片和主控芯片，所述MOS芯片包括结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管，所述结型场效应管的输入端连接所述电源管理集成电路的电源输入端，所述结型场效应管的输出端连接所述主控芯片的VDD端，用于给所述主控芯片提供工作电压；所述结型场效应管的受控端连接所述主控芯片，所述主控芯片在监控到所述VDD端的电压达到周期上限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管关断，并在监控到所述VDD端的电压下降到周期下限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管导通以继续向所述主控芯片提供工作电压；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端连接所述电源管理集成电路的电源输入端，所述主控芯片包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元的输出端连接所述金属氧化物半导体场效应管的受控端，所述脉冲宽度调制单元通过输出脉冲宽度调制信号控制所述金属氧化物半导体场效应管的导通和关断，从而控制所述电源管理集成电路输出端的输出信号的输出与截止；所述MOS芯片采用与所述主控芯片不同的制造工艺进行制造，使得所述MOS芯片的耐压高于所述主控芯片、线宽大于所述主控芯片。
在其中一个实施例中，所述结型场效应管为耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为增强型。
在其中一个实施例中，所述结型场效应管为N沟道耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为N沟道增强型，所述结型场效应管的输入端是漏极，所述结型场效应管的输出端是源极，所述结型场效应管的受控端是栅极；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端是漏极，所述金属氧化物半导体场效应管的受控端是栅极。
在其中一个实施例中，所述金属氧化物半导体场效应管的输出端连接所述电源管理集成电路的片选端。
在其中一个实施例中，所述MOS芯片的耐压大于等于500伏特，所述主控芯片的耐压大于等于5伏特，小于等于40伏特。
还有必要提供一种集成有功率开关管的电源管理装置。
一种集成有功率开关管的电源管理装置，包括引线框架和绝缘保护外层，还包括MOS芯片和主控芯片，所述引线框架包括第一基岛和第二基岛，所述MOS芯片设于所述第一基岛上，所述主控芯片设于第二基岛上；所述MOS芯片包括结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管，所述结型场效应管的输入端连接所述电源管理装置的电源输入端，所述结型场效应管的输出端连接所述主控芯片的VDD端，用于给所述主控芯片提供工作电压；所述结型场效应管的受控端连接所述主控芯片，所述主控芯片在监控到所述VDD端的电压达到周期上限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管关断，并在监控到所述VDD端的电压下降到周期下限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管导通以继续向所述主控芯片提供工作电压；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端连接所述电源管理装置的电源输入端，所述主控芯片包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元的输出端连接所述金属氧化物半导体场效应管的受控端，所述脉冲宽度调制单元通过输出脉冲宽度调制信号控制所述金属氧化物半导体场效应管的导通和关断，从而控制所述电源管理装置输出端的输出信号的输出与截止；所述MOS芯片采用与所述主控芯片不同的制造工艺进行制造，使得所述MOS芯片的耐压高于所述主控芯片、线宽大于所述主控芯片。
在其中一个实施例中，所述结型场效应管为耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为增强型。
在其中一个实施例中，所述结型场效应管为N沟道耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为N沟道增强型，所述结型场效应管的输入端是漏极，所述结型场效应管的输出端是源极，所述结型场效应管的受控端是栅极；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端是漏极，所述金属氧化物半导体场效应管的受控端是栅极。
在其中一个实施例中，所述金属氧化物半导体场效应管的输出端连接所述电源管理装置的片选端。
在其中一个实施例中，所述MOS芯片的耐压大于等于500伏特，所述主控芯片的耐压大于等于5伏特，小于等于40伏特。
上述集成有功率开关管的电源管理集成电路，内置结型场效应管(JFET)来为主控芯片提供工作电压，可以简化外围供电电路，具有恒启动时间、宽工作电压范围等技术优势。且将JFET集成进MOS芯片中，MOS芯片采用高压工艺制作，主控芯片采用低压工艺制作，使得主控芯片的产品稳定性、一致性都大幅提高，芯片面积减小，电源管理集成电路整体的成本大幅下降。
附图说明
图1是一种AC-DC电源管理集成电路驱动LED的典型应用电路；
图2是一实施例中集成有功率开关管的电源管理集成电路的主要结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供的集成有功率开关管的电源管理集成电路100采用双芯片设计，包括MOS芯片10和主控芯片20，参见图2。图2中主控芯片20内只示出了与MOS芯片10内的电路相关的结构，省略了电源管理集成电路的一些公知电路结构。
在图2所示的实施例中，MOS芯片10包括结型场效应管JFET和金属氧化物半导体场效应管。结型场效应管JFET的输入端连接电源管理集成电路100的电源输入端DRN，结型场效应管JFET的输出端连接主控芯片20的VDD端，用于给主控芯片20提供工作电压。结型场效应管JFET的受控端Gate2连接主控芯片20，主控芯片20在监控到VDD端的电压达到周期上限值时(该上限值可以为一预设值)，通过受控端Gate2控制结型场效应管JFET关断，并在监控到VDD端的电压下降到周期下限值(该下限值可以为一预设值)时，通过受控端Gate2控制结型场效应管导通以继续向主控芯片20提供工作电压。金属氧化物半导体场效应管的输入端连接电源管理集成电路100的电源输入端DRN，主控芯片20包括脉冲宽度调制单元PWM，脉冲宽度调制单元PWM的输出端连接金属氧化物半导体场效应管的受控端Gate1，脉冲宽度调制单元PWM通过输出脉冲宽度调制信号控制金属氧化物半导体场效应管的导通和关断，从而控制电源管理集成电路100输出端的输出信号的输出与截止。参见图1，集成有功率开关管的电源管理集成电路100即相当于图1中的集成电路U1，当MOS芯片10中的金属氧化物半导体场效应管导通时，ISEN引脚导通，输出驱动电压；当金属氧化物半导体场效应管关断时，ISEN引脚导通截止，暂停输出驱动电压。
在一个实施例中，MOS芯片10采用高压工艺制造，具有较大的线宽，主控芯片20采用低压工艺制造，具有比MOS芯片10更小的线宽。其中高压工艺是指为了使制造出的器件能够承受高耐压而使用工艺，低压工艺是指制造出的器件工作在常规的低压环境、因此对耐压的要求很低的工艺。在一个实施例中，要求MOS芯片10的耐压大于等于500伏特，主控芯片20的耐压大于等于5伏特，小于等于40伏特。基于上述耐压要求，在一个实施例中，MOS芯片10的线宽为0.5微米-0.8微米，主控芯片20的线宽为0.18微米-0.35微米。
上述集成有功率开关管的电源管理集成电路，内置结型场效应管来为主控芯片提供工作电压，可以简化外围供电电路，具有恒启动时间、宽工作电压范围等技术优势。且将JFET集成进MOS芯片中，MOS芯片采用高压工艺制作，主控芯片采用低压工艺制作，使得主控芯片的产品稳定性、一致性都大幅提高，芯片面积减小，电源管理集成电路整体的成本大幅下降。
在图2所示的实施例中，结型场效应管JFET为N沟道耗尽型，金属氧化物半导体场效应管为N沟道增强型。结型场效应管JFET的输入端是漏极、输出端S2是源极、受控端Gate2是栅极。金属氧化物半导体场效应管的输入端是漏极、受控端是栅极Gate1、输出端是源极S1。
在图2所示的实施例中，结型场效应管JFET在栅极-源极电压Vgs大于其夹断电压时为导通状态。电源管理集成电路100刚开机时，结型场效应管JFET的栅极电压为0V，结型场效应管JFET的源极电压为0V，栅源电压Vgs为0V，此时结型场效应管JFET导通，电流等于结型场效应管JFET的饱和电流Id，通过结型场效应管JFET对主控芯片20供电。主控芯片20监控VDD端的电压，当VDD端的电压达到启动电压Vdd-st时，电路开始工作，VDD端的电压继续上升。当VDD端的电压达到Vdd-max时，主控芯片20将结型场效应管JFET的栅极电压迅速拉低，结型场效应管JFET的栅源之间形成负电压，将结型场效应管JFET关断、停止对VDD端供电。当VDD端的电压下降至低于Vdd-min时，主控芯片20控制结型场效应管JFET的栅极，使结型场效应管JFET重新导通。这样一来，VDD端的电压始终维持在工作电压范围内(Vdd-min和Vdd-max之间)，形成自动控制。
在图2所示的实施例中，金属氧化物半导体场效应管的输出端(源极S1)连接电源管理集成电路100的片选端CS。
本发明还提供一种集成有功率开关管的电源管理装置，包括引线框架、设置于引线框架上的芯片，以及覆盖芯片和部分引线框架的绝缘保护外层。其中，芯片包括前述集成有功率开关管的电源管理集成电路的MOS芯片和主控芯片，引线框架包括第一基岛和第二基岛，MOS芯片设于第一基岛上，主控芯片设于第二基岛上。第一基岛和第二基岛电性隔离。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种集成有功率开关管的电源管理集成电路，其特征在于，包括MOS芯片和主控芯片，
所述MOS芯片包括结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管，所述结型场效应管的输入端连接所述电源管理集成电路的电源输入端，所述结型场效应管的输出端连接所述主控芯片的VDD端，用于给所述主控芯片提供工作电压；所述结型场效应管的受控端连接所述主控芯片，所述主控芯片在监控到所述VDD端的电压达到周期上限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管关断，并在监控到所述VDD端的电压下降到周期下限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管导通以继续向所述主控芯片提供工作电压；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端连接所述电源管理集成电路的电源输入端，所述主控芯片包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元的输出端连接所述金属氧化物半导体场效应管的受控端，所述脉冲宽度调制单元通过输出脉冲宽度调制信号控制所述金属氧化物半导体场效应管的导通和关断，从而控制所述电源管理集成电路输出端的输出信号的输出与截止；
所述MOS芯片采用与所述主控芯片不同的制造工艺进行制造，使得所述MOS芯片的耐压高于所述主控芯片、线宽大于所述主控芯片。
2.根据权利要求1所述的集成有功率开关管的电源管理集成电路，其特征在于，所述结型场效应管为耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为增强型。
3.根据权利要求2所述的集成有功率开关管的电源管理集成电路，其特征在于，所述结型场效应管为N沟道耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为N沟道增强型，所述结型场效应管的输入端是漏极，所述结型场效应管的输出端是源极，所述结型场效应管的受控端是栅极；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端是漏极，所述金属氧化物半导体场效应管的受控端是栅极。
4.根据权利要求1所述的集成有功率开关管的电源管理集成电路，其特征在于，所述金属氧化物半导体场效应管的输出端连接所述电源管理集成电路的片选端。
5.根据权利要求1所述的集成有功率开关管的电源管理集成电路，其特征在于，所述MOS芯片的耐压大于等于500伏特，所述主控芯片的耐压大于等于5伏特，小于等于40伏特。
6.一种集成有功率开关管的电源管理装置，包括引线框架和绝缘保护外层，其特征在于，还包括MOS芯片和主控芯片，所述引线框架包括第一基岛和第二基岛，所述MOS芯片设于所述第一基岛上，所述主控芯片设于第二基岛上；
所述MOS芯片包括结型场效应管和金属氧化物半导体场效应管，所述结型场效应管的输入端连接所述电源管理装置的电源输入端，所述结型场效应管的输出端连接所述主控芯片的VDD端，用于给所述主控芯片提供工作电压；所述结型场效应管的受控端连接所述主控芯片，所述主控芯片在监控到所述VDD端的电压达到周期上限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管关断，并在监控到所述VDD端的电压下降到周期下限值时，通过所述受控端控制所述结型场效应管导通以继续向所述主控芯片提供工作电压；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端连接所述电源管理装置的电源输入端，所述主控芯片包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元的输出端连接所述金属氧化物半导体场效应管的受控端，所述脉冲宽度调制单元通过输出脉冲宽度调制信号控制所述金属氧化物半导体场效应管的导通和关断，从而控制所述电源管理装置输出端的输出信号的输出与截止；
所述MOS芯片采用与所述主控芯片不同的制造工艺进行制造，使得所述MOS芯片的耐压高于所述主控芯片、线宽大于所述主控芯片。
7.根据权利要求6所述的集成有功率开关管的电源管理装置，其特征在于，所述结型场效应管为耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为增强型。
8.根据权利要求7所述的集成有功率开关管的电源管理装置，其特征在于，所述结型场效应管为N沟道耗尽型，所述金属氧化物半导体场效应管为N沟道增强型，所述结型场效应管的输入端是漏极，所述结型场效应管的输出端是源极，所述结型场效应管的受控端是栅极；所述金属氧化物半导体场效应管的输入端是漏极，所述金属氧化物半导体场效应管的受控端是栅极。
9.根据权利要求6所述的集成有功率开关管的电源管理装置，其特征在于，所述金属氧化物半导体场效应管的输出端连接所述电源管理装置的片选端。
10.根据权利要求6所述的集成有功率开关管的电源管理装置，其特征在于，所述MOS芯片的耐压大于等于500伏特，所述主控芯片的耐压大于等于5伏特，小于等于40伏特。
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