CN202930390U - 一种mos管以及应用该mos管的电池保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MOS管以及应用该MOS管的电池保护电路，其中所述电池保护电路包括电池保护控制电路和一个本实用新型中的MOS管，所述MOS管的第一电极与电池的负极相连，第二电极与第二电源端相连，所述电池的正极与第一电源端相连，所述电池保护控制电路包括功率开关控制电路和衬体选择电路，所述功率开关控制电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成驱动信号给所述MOS管的栅极；所述衬体选择电路与所述MOS管的衬体相连，用于将所述衬体选择性的连接于第一电极和第二电极中电压较低的一端。与现有技术相比，本实用新型采用一个MOS管作为电池保护电路中的功率开关，其可以节省功率开关的版图面积，从而减小芯片的面积，进而降低芯片的成本。

Description

一种MOS管以及应用该MOS管的电池保护电路

【技术领域】

本实用新型涉及半导体领域，特别涉及一种MOS管以及应用该MOS管的电池保护电路。 

【背景技术】

随着集成化程度越来越高，目前已经有些厂家采用系统级封装技术(SIP:System in Package)来制造电池保护芯片了。具体方法是将电池保护控制芯片和功率开关封装在同一个封装内，例如SOT23-6封装或TSSOP-8封装或DFN-6封装。而电池保护控制芯片和功率开关采用不同的半导体工艺制造，专用的工艺有助于分别优化每个工艺的工艺步骤，使得光刻步骤尽量少，从而加工生产的时间短，进而减小生产成本。 

请参考图1所示，其为现有技术中电池保护电路的电路示意图。所述电池保护电路包括电池保护控制芯片110和功率开关120。所述电池保护电路与电池BAT电性连接并对所述电池BAT的充电和放电进行保护。 

所述电池保护控制芯片110和功率开关120可以采用SIP技术封装在一个封装内。所述电池BAT的正极与第一电源端VDD相连。所述功率开关120连接于电池BAT的负极G和第二电源端VM之间。电池充电器130或者负载电阻Ro可以连接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间。当负载电阻Ro连接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间时，所述电池BAT处于放电状态，当电池充电器130正接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间时，所述电池BAT处于充电状态。 

所述电池保护控制芯片110包括过充电检测电路112、充电过流检测电路114、过放电检测电路116、放电过流检测电路118和控制电路119。所述过充电检测电路112、充电过流检测电路114、过放电检测电路116和放电过流检测电路118可以被统称为阈值检测电路。所述控制电路119根据充电检测电路112、充电过流检测电路114、过放电检测电路116和放电过流检测电路118提供的检测信号生成充电控制信号并通过充电控制信号输出端CO1输出，生成放电控制信号并通过放电控制信号输出端DO1输出。 

所述功率开关120包括依次串联的第一NMOS(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体)晶体管和第二NMOS晶体管。所述第一NMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的漏极相连以形成互接端K，从而形成串联连接；所述第一NMOS晶体管的源极和衬体相连，作为所述功率开关120的第一连接端A，所述第二NMOS晶体管的源极和衬体相连，作为所述功率开关120的第二连接端B；所述第一NMOS晶体管的栅极作为所述功率开关120的放电控制端DO2，所述第二NMOS晶体管的栅极作为所述功率开关120的充电控制端CO2。 

采用系统封装技术对电池保护控制芯片110和功率开关120进行封装时，将电池保护控制芯片110的接地端GND与功率开关120的第一连接端A端通过金线或铜线连接到封装的同一个管脚上，从而电气连接在一起；将电池保护控制芯片110的检测端VMI与功率开关120的第二连接端B端通过金线或铜线连接到封装的同一个管脚上，从而电气连接在一起；通过金线或铜线将电池保护控制芯片110的放电控制信号输出端DO1和功率开关120的放电控制端DO2连接在一起；通过金线或铜线将电池保护控制芯片110的充电控制信号输出端CO1和功率开关120的充电控制端CO2连接在一起；电池保护控制芯片110的第一电源端VDD被单独连接到封装的另外管脚上。 

请参考图2所示，其为图1中功率开关120的结构示意图。左边为第一NMOS晶体管，右边为第二NMOS晶体管，第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的其中一端共用，从而形成串联连接。传统的功率开关都是三端器件，即A端、B端和G端，而衬体与源极和漏极中的其中一端始终连接在一起，在进行功率开关设计时，只需要考虑A端和B端的耐压即可。如图2所示，这种NMOS晶体管为垂直结构。导通时，其电流垂直于晶片表面的方向流动，电流可以从第一连接端A端流到互接端K端，然后流到第二连接端B端。其耐受高电压都在于K端相对于A端或B端，由P-和N-（-号表示掺杂浓度较低）两个低掺杂区来实现耐受高电压。N+和P+（+号表示掺杂浓度较高）用于形成与金属接触电阻较小的欧姆接触。P+形成NMOS晶体管的衬体接触，由于衬体P+与邻近的N+电极始终连接在一起（即连接电位相同），为了减小面积，一般采用抵触式(Butting)设计，即P+和N+紧靠在一起。斜线填充区域为NMOS晶体管的栅极。当栅极电压超过阈值电压时，使与P+邻近的N+电极与另一电极N-区域之间的 P-区域反型，即吸引很多电子位于靠近栅极侧，这样将P+邻近的N+电极与N-电极连通了，这样NMOS晶体管就导通了。 

对于电池保护电路应用中，一个比较关键的问题是耐压问题。对于图1所述的电池保护电路，当出现放电异常时，例如检测到电压过放电或检测到放电过流或反接充电器130的情况时，电池保护控制芯片110会控制关断第一NMOS晶体管，此时，第一NMOS晶体管将承受较大的高压。最高电压发生在充电器130反接时，此时第一NMOS晶体管将承受的电压为|VCHG|+|VBAT|+|VL|，其中VCHG为充电器电压，VBAT为电池BAT的电芯电压，VL为电流通路中寄生电感的反激电压。这种寄生电感导致功率管承受较高电压的情况被称为未钳制的电感性开关(UIS:Unclamped Inductive Switching)现象。 

$\mathrm{VL}=L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

其中L是寄生电感的电感值，di/dt是电流变化速率。 

另外，当检测到电压过充电或充电过流时，电池保护控制芯片110会控制关断第二NMOS晶体管，此时第二NMOS晶体管将承受较大的高压。其承受的电压为|VCHG|-|VBAT|+|VL|。 

由于功率开关120包括依次串联的两个MOS管，因此，其需要的版图面积较大，从而在芯片中占用的面积也较大，进而提高了芯片的成本。因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。 

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种MOS管以及应用该MOS管的电池保护电路，其可以节省功率开关的版图面积，从而减小芯片的面积，进而降低芯片的成本。 

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种MOS管，其包括N+衬底，形成于N+衬底上方的N-层，形成于N-层上方的P-层，自P-层的上表面向下延伸至N-层内的栅极，半围绕所述栅极以将所述栅极隔离的栅氧层，自P-层的上表面向下延伸至P-层内的N+有源区，与所述N+有源区相互间隔的自P-层的上表面向下延伸至P-层内的P+有源区，P+表示P型重掺杂，P-表示P型轻掺杂，N+表示N型重掺杂，N-表示N型轻掺杂，N+有源区形成所述MOS管的第一电极，N+衬底形成所述MOS管的第二电极，P+有源区形成 所述MOS管的衬体。 

进一步的，所述N+有源区紧邻所述栅氧层或所述N+有源区与所述栅氧层相互间隔。 

进一步的，所述栅极的上表面暴露于所述栅氧层外，所述栅氧层为U形，P+有源区较N+有源区更远离所述栅极，在所述栅极的两侧都设置有P+有源区和N+有源区。 

更进一步的，所述MOS管还包括位于所述P-层和所述N+有源区之间的NG层，该NG层的掺杂浓度较所述N+有源区低，NG表示N型中掺杂。 

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种电池保护电路其包括电池保护控制电路和一个MOS管，所述MOS管为如权利要求1-4任一所述的MOS管， 

所述MOS管的第一电极与电池的负极相连，第二电极与第二电源端相连，所述电池的正极与第一电源端相连，所述电池保护控制电路包括功率开关控制电路和衬体选择电路，所述功率开关控制电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成驱动信号给所述MOS管的栅极；所述衬体选择电路与所述MOS管的衬体相连，用于将所述衬体选择性的连接于第一电极和第二电极中电压较低的一端。 

进一步的，所述衬体选择电路包括有电压判断电路以及连接切换电路，所述电压判断电路比较第一电极的电压和第二电极的电压，在第一电极的电压高于第二电极的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体连接至第二电极，在第一电极的电压低于第二电极的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体连接至第一电极。 

进一步的，所述功率开关控制电路包括阈值检测电路、控制电路、驱动电路和电荷泵，所述阈值检测电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成检测信号；所述控制电路根据所述阈值检测电路输出的检测信号生成相应的控制信号；所述驱动电路根据所述控制信号输出驱动信号给MOS管的栅极；电荷泵用于提升驱动电路的电源电压。 

与现有技术相比，本实用新型采用一个MOS管作为电池保护电路中的功率开关，其可以节省功率开关的版图面积，从而减小芯片的面积，进而降低芯片的成本。 

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为现有技术中的电池保护电路的电路示意图； 

图2为图1中功率开关的结构示意图； 

图3为采用本实用新型中的MOS管作为功率开关的电池保护电路在一个实施例中的电路示意图； 

图4为图3中的MOS管在一个实施例中的结构示意图； 

图5为图3中的MOS管在另一个实施例中的结构示意图； 

图6为图3中的MOS管在另一个实施例中的结构示意图； 

图7a-7e为图4中的MOS管在一个实施例中的制造过程图；和 

图8a-8c为图6的MOS管在另一个实施例中的制造过程图。 

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。 

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型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。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。 

本实用新型采用一个MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)管作为电池保护电路中的功率开关，与现有技术中，通过两个依次串联的MOS管作为功率开关相比，其可以节省功率开关的版图面积，从而减小芯片的面积，进而降低芯片的成本。 

请参考图3所示，其为采用本实用新型中的MOS管作为功率开关的电池保护电路在一个实施例中的电路示意图。所述电池保护电路包括电池保护控制电路310和一个MOS管(也可以被称之为功率管)320。 

电池BAT的正极与第一电源端VDD相连。 

所述MOS管320包括第一电极C1、第二电极C2、栅极C3和衬体C4，第一电极C1与电池BAT的负极G相连，第二电极C2与第二电源端VM相连，所述衬体C4可以选择性的连接于第一电极C1和第二电极C2。 

电池充电器330或者负载电阻RO可以连接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间。当负载电阻RO连接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间时，所述电池BAT处于放电状态，当电池充电器330正接于第一电源端VDD和第二电源端VM之间时，所述电池BAT处于充电状态。 

所述电池保护控制电路310包括功率开关控制电路（图中未标号）和衬体选择电路312。 

所述功率开关控制电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成驱动信号给所述MOS管320的栅极C3，控制所述MOS管的导通或者截止。 

在本实施例中，所述功率开关控制电路包括阈值检测电路314、控制电路316、驱动电路318和电荷泵319。所述阈值检测电路314用于对电池BAT的充放电状态进行检测并生成检测信号。所述控制电路316根据所述阈值检测电路314输出的检测信号生成相应的控制信号。所述驱动电路318根据所述控制信号输出驱动信号给MOS管320的栅极C3。电荷泵319用于提升驱动电路318的电源电压。这样在MOS管320导通时，其栅源极电压比没有电荷泵电路的实施方式更高，有助于减小MOS管320的导通电阻。在另一个实施例中，所述功率开关控制电路可以不包括所述电荷泵318。 

所述衬体选择电路312与所述MOS管的衬体C4相连，用于将所述衬体C4选择性的连接于第一电极C1和第二电极C2中电压较低的一端。也可以说所述衬体选择电路312将所述衬体C4选择性的连接于第三电源端G和第二电源端VM中电压较低的一端。在一个实施例中，所述衬体选择电路312包括有电压判断电路以及连接切换电路，所述电压判断电路比较第一电极C1的电压和第二电极C2的电压，在第一电极C1的电压高于第二电极C2的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体C4连接至第二电极C2，在第一电极C1的电压低于第二电极C2的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体C4连接至第一电极C1。 

在所述电池BAT对外进行放电时，所述MOS管320的第一电极C1的电压低于第二电极C2，此时所述衬体C4被连接至第一电极C1。在放电正常时，所 述功率开关控制电路控制所述MOS管320导通，实现正常的放电，在放电异常时，所述功率开关控制电路控制所述MOS管320截止，实现放电保护。在对所述电池BAT充电时，所述MOS管320的第一电极C1的电压高于第二电极C2，此时所述衬体C4被连接至第二电极C2。在充电正常时，所述功率开关控制电路控制所述MOS管320导通，实现正常的充电，在充电异常时，功率开关控制电路控制所述MOS管320截止，实现充电保护。 

这样，利用一个MOS管320作为电池保护电路的功率开关就可以实现所述电池BAT的充放电保护。 

请参考图4所示，其为图3中的MOS管320在一个实施例中的结构示意图。 

所述MOS管包括N+衬底、形成于N+衬底上方的N-层、形成于N-层上方的P-层、自P-层的上表面向下延伸至N-层内的栅极、半围绕所述栅极以将所述栅极隔离的栅氧层、紧邻所述栅氧层外侧面并自P-层的上表面向下延伸至P-层内的N+有源区，与所述N+有源区相互间隔的自P-层的上表面向下延伸至P-层内的P+有源区，P+表示P型重掺杂，P-表示P型轻掺杂，N+表示N型重掺杂，N-表示N型轻掺杂，其中重掺杂的惨杂浓度较轻掺杂的高。 

此外，所述栅极的上表面暴露于所述栅氧层外，所述栅氧层为U形，P+有源区较N+有源区更远离所述栅极，在所述栅极的两侧都设置有P+有源区和N+有源区。由P-层和N-层两个低掺杂区来实现耐受高电压。N+衬底、N+有源区和P+有源区用于形成与金属接触电阻较小的欧姆接触。N+有源区形成所述第一电极C1，N+衬底形成所述第二电极C2，P+有源区形成所述衬底C4。 

对比图2和图4可知，与现有技术不同的是，本实用新型中衬体C4和第一电极C1没有紧邻放置，而是存在一定距离，通过该距离来提高衬体C4与第一电极C1之间的耐压。原因是当衬体C4被切换连接到第二电极C2时，在出现关断该MOS管时，衬体C4与第一电极C1之间需要一定的耐压。 

对于图4中MOS管结构，第二电极C2的耐压比第一电极C1的耐压高，原因是第二电极C2的P-N结由P-和N-构成，而第一电极C1的P-N结由P-和N+构成。掺杂浓度较低的N-能提供耐压更高的空间电荷区。 

由于电池保护电路中反接充电器情形下对MOS管320的耐压要求最高，当发生反接充电器时，第二电源端VM的电压高于电池的负极G的电压，第二电源端VM的电压相对于电池的负极G的电压为|VBAT|+|VCHG|，此时衬体C4 被切换连接到电压较低的电池的负极G端。再加上寄生电感在MOS管320关断瞬间产生的反激电压，此时MOS管320在第二电源端VM端到电池的负极G之间需耐受|VBAT|+|VCHG|+|VL|电压，其中VCHG为充电器电压，VBAT为电池的电芯电压，VL为电流通路中寄生电感的反激电压。因此，优选的实施例中，应该像图3中所示的那样，将可耐受电压较强的一端（即第二电极C2）连接于第二电源端VM，耐受电压较弱的一端（即第一电极C1）连接与第三电源端G。在另一个实施例中，也可以将可耐受电压较强的一端（即第二电极C2）连接于电池的负极G，耐受电压较弱的一端（即第一电极C1）连接与第二电源端VM，只要耐受电压较弱的端(第一电极C1)也可以耐受充电器反接时第二电源端VM端到电池的负极G之间的电压即可电压。 

在有些应用中充电器电压较高，寄生电感更大的情况下，所述MOS管所需耐受电压更高。请参考图5所示，其为图3中的MOS管在另一个实施例中的结构示意图。与图4相比，图5在N+有源区和P+有源区之间增加了位于所述P-层和所述N+有源区之间的NG层，该NG层的掺杂浓度较N+有源区低，这样NG层和P-层形成的P-N结的耐压更高。 

请参考图6所示，其为图3中的MOS管在另一个实施例中的结构示意图。与图5相比，其区别在于:图5中第一电极C1（N+有源区）紧邻所述栅氧层外侧面，而图6中第一电极C1（N+有源区）与所述栅氧层外侧面相互间隔。 

请参考图7a-7e，其为图4中的MOS管在一个实施例中的制造过程图。 

以下结合图7a-7e具体介绍如图4所示的MOS管的制造过程。 

第一步，在N+衬底上通过淀积形成N-外延层，然后通过淀积形成P-外延层得到如图7a的结构。 

第二步，经过刻蚀形成贯穿P-层直至N-层内的沟槽，如图7b所示。 

第三步，采用氧气进行干法氧化产生栅氧层，再淀积多晶硅，如图7c所示。 

第四步，先刻蚀多晶硅，再刻蚀栅氧层，以使P-层、多晶硅和栅氧层的上表面平齐，如图7d所示。 

第五步，先进行N+注入，然后进行P+注入，以形成自P-层的上表面向下延伸至P-层内的N+有源区，形成与所述N+有源区相互间隔的自P-层的上表面向下延伸至P-层内的P+有源区，如图7e所示。这样就形成了图4中的MOS管结构。这里，也可以先进行P+注入，然后进行N+注入。 

请参考图8a-8c所示，其为图6的MOS管在另一个实施例中的制造过程图。 

以下结合图7a-7d和图8a-8c所示，具体介绍如图6所示的MOS管的制造过程。 

第一步，先可以采用与图7a～7d相同的步骤制作出图7d的结构，如图7a所示。 

第二步，通过掩膜注入，形成位于所述P-层内围绕所述栅氧层的NG层，如图7b所示。 

第三步，先进行N+注入，然后进行P+注入，或者先进行P+注入，然后进行N+注入，以形成N+有源区和P+有源区，如图8c所示，这样得到与图6相同的结构。 

图7e和图8c后续还需要进行半导体工艺的后端工序处理，例如形成接触孔，和金属层来形成栅极、源极和漏极的接触。这些与现有工艺完全相同，为了简化描述，此处省略。 

综上所述，本实用新型采用一个MOS管作为电池保护电路的功率开关，所述MOS管包括第一电极C1、第二电极C2、栅极C3和衬体C4，所述衬体可以选择性的连接于第一电极和第二电极中电压较低的一端，使该MOS管实现与现有技术中通过两个MOS管串联作为功率开关相同的功能，可以节省功率开关的版图面积，从而减小芯片的面积，进而降低芯片的成本。 

此外，需要指出的是，图4、图5和图6中提出的MOS管不仅可以用于图3中的电池保护电路中，还可以用于其他需要耐高压和衬体切换的领域。 

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型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 (7)

1.一种MOS管，其特征在于，其包括N+衬底，形成于N+衬底上方的N-层，形成于N-层上方的P-层，自P-层的上表面向下延伸至N-层内的栅极，半围绕所述栅极以将所述栅极隔离的栅氧层，自P-层的上表面向下延伸至P-层内的N+有源区，与所述N+有源区相互间隔的自P-层的上表面向下延伸至P-层内的P+有源区，P+表示P型重掺杂，P-表示P型轻掺杂，N+表示N型重掺杂，N-表示N型轻掺杂，

N+有源区形成所述MOS管的第一电极，N+衬底形成所述MOS管的第二电极，P+有源区形成所述MOS管的衬体。

2.根据权利要求1所述的MOS管，其特征在于，所述N+有源区紧邻所述栅氧层或所述N+有源区与所述栅氧层相互间隔。

3.根据权利要求1所述的MOS管，其特征在于，所述栅极的上表面暴露于所述栅氧层外，所述栅氧层为U形，P+有源区较N+有源区更远离所述栅极，在所述栅极的两侧都设置有P+有源区和N+有源区。

4.根据权利要求1-3任一所述的MOS管，其特征在于，所述MOS管还包括位于所述P-层和所述N+有源区之间的NG层，该NG层的掺杂浓度较所述N+有源区低，NG表示N型中掺杂。

5.一种电池保护电路，其特征在于，其包括电池保护控制电路和一个MOS管，

所述MOS管为如权利要求1-4任一所述的MOS管，

所述MOS管的第一电极与电池的负极相连，第二电极与第二电源端相连，所述电池的正极与第一电源端相连，

所述电池保护控制电路包括功率开关控制电路和衬体选择电路，

所述功率开关控制电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成驱动信号给所述MOS管的栅极；

所述衬体选择电路与所述MOS管的衬体相连，用于将所述衬体选择性的连接于第一电极和第二电极中电压较低的一端。

6.根据权利要求5所述的电池保护电路，其特征在于，所述衬体选择电路包括有电压判断电路以及连接切换电路，所述电压判断电路比较第一电极的电压和第二电极的电压，在第一电极的电压高于第二电极的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体连接至第二电极，在第一电极的电压低于第二电极的电压时，通知所述连接切换电路将所述衬体连接至第一电极。

7.根据权利要去5-6任一所述的电池保护电路，其特征在于，所述功率开关控制电路包括阈值检测电路、控制电路、驱动电路和电荷泵，

所述阈值检测电路用于对电池的充放电状态进行检测以生成检测信号；

所述控制电路根据所述阈值检测电路输出的检测信号生成相应的控制信号；

所述驱动电路根据所述控制信号输出驱动信号给MOS管的栅极；

电荷泵用于提升驱动电路的电源电压。

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