CN203206528U - 一种led驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种LED驱动电路，其包括：电感L1、二极管D1、电容C1、功率开关、采样开关、电流采样电路和电流模控制电路，将电流采样电路和电流模控制电路设置于第一晶片中，将功率开关和采样开关设置于第二晶片中，第二晶片采用垂直沟槽栅工艺制造，第一晶片的制造工艺与第二晶片的不同。与现有技术相比，本实用新型中的LED驱动电路，将控制电路设置于一块晶片中，将功率开关和采样开关设置于另一块晶片中，并且将两个晶片封装在一起，采样垂直沟槽栅工艺制造功率开关和采样开关，这样可以实现成本更低、导通电阻更低且栅极电容更小的功率开关和采样开关。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及电路设计领域，特别是涉及一种LED(light-emitting Diode)驱动电路。
【背景技术】
LED背光驱动电路广泛应用于各种电子设备中，例如平板电脑和智能手机。而实验发现在很多便携电子系统中，LED屏的耗电能占到整个系统耗电的一半或甚至更多。所以提高LED屏的效率，对于节能、减小发热、延长锂电池充满电后的使用时间很有意义。现有技术中，LED背光驱动芯片通常将功率NMOSFET（N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管）与控制电路集成在同一块晶片上。其原因在于LED背光驱动电路一般采用升压电路，而升压电路多采用脉冲宽度调制(PWM:Pulse Width Modulation)电路结构，此结构在反馈环路控制中存在右半平面零点(RHPZ:Right Half-Plane Zero)，此类零点对反馈环路稳定性影响极坏，其频域响应的影响是使增益增加20dB/频程，同时相位减小90度。现有技术中为了实现反馈环路稳定性，通常采用电流模结构，即采样一部分功率NMOSFET的电流，并注入采样电流到反馈环路中。为了精确采样功率NMOSFET的电流，常规技术是采用一个与功率NMOSFET类型、结构和版图相同但尺寸较小的采样晶体管，这样就使得在同一晶片上集成该功率NMOSFET、采样晶体管及控制电路的方案盛行。
图1是现有技术中的LED驱动电路的一种实现方式，其包括升压输出电路和升压控制电路。所述升压输出电路包括依次串联于输入电压VDD和地之间的电感L1、二极管D1和电容C1，以及串联在电感L1和二极管D1的中间节点和地之间的功率开关MN1(NMOSFET)，所述二极管D1和电容C1之间的节点为输出节点Vout。一串或多串WLED(white light emitting diode)和电流反馈电阻Rs一起串联在输出节点Vout和地之间。
所述升压控制电路包括采样开关MNS1(NMOSFET)、电流采样电路和电流模控制电路。所述采样开关MNS1和电流采样电路共同来采样所述功率开关MN1上流过的电流并得到所述功率开关MN1的采样电流。所述电流模控制电路根据功率开关的采样电流以及电流反馈电阻Rs得到的电流反馈电压输出开关控制信号来控制所述功率开关MN1的导通和截止，其中该采样开关MNS1的导通和截止也由该开关控制信号来控制。
在现有技术中，电流采样电路、采样开关MNS1、功率开关MN1和电流模控制电路通常集成在同一片晶片上，即虚线框110所包围的部分。另一方面，该功率开关MN1的导通电阻越大其能量损耗越大（MN1导通时的导通损耗为I2.R，其中I为MN1的导通电流，R为MN1的导通电阻），这样导致LED驱动电路的效率较低；同时该功率开关MN1的栅极电容越大，使得LED驱动电路的开关损耗越大（开关损耗为1/2.C.V2.f，其中C为功率开关MN1的栅极电容，V为MN1的栅极电压摆幅，f为MN1的开关频率），也导致LED驱动电路的效率较低。
在能将功率开关和控制电路的集成在一起的电路工艺中，目前最先进的技术是采用BCD(Bipolar CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)DMOS)的平面工艺，采用DMOS(Diffused Metal-Oxide Semiconductor)来设计功率开关MN1以期达到较小的导通电阻和栅极电容。但是这样设计出的功率开关MN1的导通电阻和栅极电容还是较大。
因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。
【实用新型内容】
本实用新型的目的之一在于提供一种LED驱动电路，其具有效率高等优点。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一方面，本实用新型提出一种LED驱动电路，其包括：电感L1、二极管D1、电容C1、功率开关、采样开关、电流采样电路和电流模控制电路，将电流采样电路和电流模控制电路设置于第一晶片中，将功率开关和采样开关设置于第二晶片中，第二晶片采用垂直沟槽栅工艺制造，第一晶片的制造工艺与第二晶片的不同。
进一步的，电感L1、二极管D1和电容C1依次串联于输入电压和地之间，功率开关串联在电感L1和二极管D1的中间节点和地之间，所述二极管D1和电容C1之间的节点为输出节点。
进一步的，所述采样开关和电流采样电路共同来采样所述功率开关上流过的电流并得到所述功率开关的采样电流，所述电流模控制电路根据功率开关的采样电流以及电流反馈电压输出开关控制信号来控制所述功率开关和所述采样开关的导通和截止。
进一步的，所述采样开关和所述功率开关均是NMOSEFT，所述采样开关的漏极连接所述电流采样电路，构成第二晶片的DS压焊区，所述采样开关的栅极与所述功率开关的栅极相连，构成第二晶片的G压焊区，并与所述电流模控制电路的输出端相连，所述功率开关的漏极接电感L1和二极管D1的中间节点，构成第二晶片的DN压焊区，所述采样开关的漏极与所述功率开关的漏极相连，构成第二晶片的S压焊区，并接地。
进一步的，第一晶片与第二晶片封装在一起。
进一步的，所述功率开关和所述采样开关的结构相同，所述功率开关包括N+衬底，形成于N+衬底上方的N-层，形成于N-层上方的P-阱，自P-阱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-阱的上表面向下延伸至P-阱内的N+有源区和P+有源区，其中N+有源区形成功率开关的源极，P+有源区形成功率开关的衬体连接端，N+衬底形成功率开关的漏极，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，在所述功率开关和所述采样开关之间形成有DP区域，所述DP区域自所述功率开关与所述采样开关之间的N-层的上表面向下延伸至N+衬底的下表面，隔离N-层和下部的N+层。
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，N+有源区和P+有源区相邻接。
进一步的，所述功率开关和所述采样开关的制造过程如下：在N-低掺杂的原始晶圆上注入P型材料以形成DP区域，产生两个隔离的N-区域；在N-低掺杂的晶圆底部除去DP区域外的部分进行N+注入；经过刻蚀形成的沟槽，氧化产生栅氧层，然后在沟槽淀积多晶硅形成栅极；进行掺杂注入，产生P-阱；进行N+注入，进行P+注入，以形成自P-阱的上表面向下延伸至P-阱内的N+有源区和P+有源区。
更进一步的，所述DP区域形成环形区域，在环形的DP区域内形成所述采样开关，在环形的DP区域外形成所述功率开关。
更进一步的，在N-低掺杂的原始晶圆上注入P型材料以形成DP区域包括：分别从N-低掺杂的原始晶圆的顶层注入和底层注入，最终两次注入相连以形成所述DP区域。
与现有技术相比，本实用新型中的LED驱动电路，将控制电路设置于一块晶片中，将功率开关和采样开关设置于另一块晶片中，并且将两个晶片封装在一起，采样垂直沟槽栅工艺制造功率开关和采样开关，这样可以实现成本更低、导通电阻更低且栅极电容更小的功率开关和采样开关。
【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LED驱动电路的电路示意图；
图2为本实用新型中的LED驱动电路在一个实施例中的电路示意图；
图3为采用垂直沟槽栅工艺制造出的功率开关和采样开关的结构示意图；
图4a-4e为采用垂直沟槽栅工艺制造出的功率开关和采样开关的产品结构变化示意图；
图5为在一个实施例中，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入DP层后得到的晶圆的俯视图；和
图6为在另一个实施例中，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入DP层后得到的晶圆的结构示意图。
【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。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。
本实用新型提出了一种高效的LED驱动电路。在该LED驱动电路中，将控制电路(包括电流采样电路和电流模控制电路)设置于一块晶片中，将功率开关和采样开关设置于另一块晶片中，并将两个晶片封装在一起。特别的，采用垂直沟槽栅工艺来制造功率开关和采样开关，这样可以实现成本更低、导通电阻更低且栅极电容更小的功率开关和采样开关。该LED驱动电路可以用于显示屏背光系统中。
图2为本实用新型中的LED驱动电路在一个实施例中的电路示意图。如图2所示，所述LED驱动电路包括电感L1、二极管D1、电容C1、功率开关MN1、采样开关MNS1、电流采样电路和电流模控制电路。
其中，电感L1、二极管D1和电容C1依次串联于输入电压VDD和地之间，功率开关MN1串联在电感L1和二极管D1的中间节点和地之间，所述二极管D1和电容C1之间的节点为输出节点Vout。两串WLED(white light emitting diode)串联，之后与电流反馈电阻Rs一起串联在输出节点Vout和地之间。在其它示例中，也可以只有一串WLED，或更多串WLED。
所述采样开关MNS1和电流采样电路共同来采样所述功率开关MN1上流过的电流并得到所述功率开关MN1的采样电流。所述电流模控制电路根据功率开关的采样电流以及电流反馈电阻Rs得到的电流反馈电压输出开关控制信号来控制所述功率开关MN1的导通和截止，其中该采样开关MNS1的导通和截止也由该开关控制信号来控制。
在图2中的LED驱动电路中，将电流采样电路和电流模控制电路设置于第一晶片210中，将功率开关MN1和采样开关MNS1设置于第二晶片220中。可以将两个晶片封装在一起，可以节省一个封装成本。第一晶片210中采用合适的制造工艺(比如CMOS工艺，Bipolar CMOS工艺或其他现有的适合控制电路的工艺)制造，第二晶片220采用垂直沟槽栅工艺制造。也就是说，第一晶片210和第二晶片220所采用的半导体制造工艺不同。
采样开关MNS1和所述功率开关MN1均为NMOSFET(N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管)。
所述采样开关MNS1的漏极接所述电流采样电路，构成第二晶片220的DS端(或称DS压焊区)。所述采样开关MNS1的栅极与所述功率开关MN1的栅极相连，构成第二晶片220的G端(或称G压焊区)，并与电流模控制电路的输出端相连。所述功率开关MN1的漏极接电感L1和二极管D1的中间节点，构成第二晶片220的DN端(或称DN压焊区)。所述采样开关MNS1的漏极与所述功率开关MN1的漏极相连，构成第二晶片220的S端(或称S压焊区)，并接地。这样，第二晶片220就具有四个压焊区：S端、G端、DN端、DS端。
由于功率开关MN1和采样开关MNS1采用垂直沟槽栅工艺，这样可以实现成本更低、导通电阻更低且栅极电容更小的功率开关和采样开关。然而，为了实现将所述功率开关MN1与所述采样开关MNS1按照上述需求集成在同一片晶片上，需要对现有的垂直沟槽栅功率MOS工艺进行改进，否则所述功率开关MN1的漏极与所述采样开关MNS1的漏极无法分离开。
图3为采用垂直沟槽栅工艺制造出的功率开关和采样开关的结构示意图。所述第二晶片220包括所述功率开关MN1和所述采样开关MNS1。所述功率开关MN1与所述采样开关MNS1结构完全相同，但所述功率开关MN1的尺寸较大，可以由多个小晶体管并联组成。
如图3所示，所述功率开关MN1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-阱，自P-阱的上表面向下延伸至N-层内的栅极，半围绕所述栅极（斜线填充区域）以将所述栅极隔离的栅氧层，自P-阱的上表面向下延伸至P-阱内的N+有源区和P+有源区。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，N+有源区和P+有源区相邻接。其中N+有源区形成功率开关MN1的源极，P+有源区形成功率开关MN1的衬体连接端，N+衬底形成功率开关MN1的漏极。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。
由于所述采样开关MNS1与功率开关MN1的结构完全相同，因此不再重复介绍采样开关MNS1的结构，两者的连接关系也在上文介绍过，此处不再赘述。
为了使所述功率开关MN1的漏极与所述采样开关MNS1的漏极分离开，在所述功率开关MN1和所述采样开关MNS1之间还形成有将两个器件隔离的DP区域(也可以称为DP层或P型隔离层)，所述DP区域自所述功率开关MN1与所述采样开关MNS1之间的N-层的上表面向下延伸至N+衬底的下表面，隔离N-层和N+衬底。
当所述采样开关MNS1与功率开关MN1的栅极电压大于阈值电压时，栅极外侧的P-区域靠近栅氧侧聚集电子，实现反型，形成沟道，连通所述N+有源区和N-层，所述采样开关MNS1与功率开关MN1导通。
图4a-4e为采用垂直沟槽栅工艺制造出的功率开关和采样开关的产品结构变化示意图，其示出了各个工艺步骤后得到的半成品以及最终成品。
以下结合图4a-4e具体介绍如图3所示的第二晶片的制造过程。
第一步，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入P型材料以形成DP层，产生两个隔离的N-区域，得到图4a所示的结构。
实际注入DP层可以是围成一个环形区域，环形区域内为制造所述采样开关MNS1的区域，环形区域外为制造所述功率开关MN1的区域。请参考图5所示，其为在一个实施例中，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入P型材料以形成DP层后得到的晶圆的俯视图，其中网状区域为DP层注入区域，整个外框表示整个芯片面积。图5描述的为长方形环状DP层，实际设计中可以为正方形环状DP层或圆环形DP层或多边形DP层，只要形成两个隔离的N-区域即可。在一个实施例中，在DP层形成的环形内形成采样开关MNS1，在DP层形成的环形区域外形成所述功率开关MN1。
请参考图6所示，其为在另一个实施例中，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入DP层后得到的晶圆的结构示意图。在该实施例中，在低掺杂(N-)的原始晶圆上注入DP层步骤可以分为两步，即分别从低掺杂(N-)的原始晶圆的顶层注入和底层注入，最终两次注入相连以形成所述DP层，产生两个隔离的N-区域，这样可以得到厚度更为均匀的DP，并且注入也更为快速和有效，成功率更高。
以下以图4a为例继续进行其他后续步骤描述。
第二步，在低掺杂(N-)的原始晶圆底部除去DP区域外的部分进行N+注入，得到图4b所示的结构。
第三步，经过刻蚀形成的沟槽，氧化产生栅氧层，然后在沟槽淀积多晶硅形成栅极，得到如图4c所示。
第四步，进行掺杂注入，产生P-阱，如图4d所示。
第五步，先进行N+注入，然后进行P+注入，以形成自P-阱的上表面向下延伸至P-阱内的N+有源区和P+有源区，如图4e所示。这样就形成了图3中的第二晶片。这里，也可以先进行P+注入，然后进行N+注入。
到此为止，基本器件结构已经形成。为了简化描述，与现有技术完全相同的工艺步骤被省略描述，例如通过刻蚀，溅射金属产生接触孔，以便使金属连接各N+、P+电极或多晶硅栅极；淀积金属层以便形成互联；淀积钝化层，并刻蚀产生压焊区开口(PAD Opening)等。其他各种现有技术中改善器件特性，改善良率的常规工艺步骤也可以被加入来改善工艺性能，为了简化描述，此处也省略，这些措施不影响本实用新型的适用范围。
综上所述，本实用新型中的LED驱动电路，将控制电路设置于一块晶片中，将功率开关和采样开关设置于另一块晶片中，并且将两个晶片封装在一起，采用垂直沟槽栅工艺制造功率开关和采样开关。其中，所述采样开关MNS1的漏极接所述电流采样电路，构成第二晶片220的DS端(或称DS压焊区)。所述采样开关MNS1的栅极与所述功率开关MN1的栅极相连，并构成第二晶片220的G端(或称G压焊区)。所述功率开关MN1的漏极接电感L1和二极管D1的中间节点，构成第二晶片220的DN端(或称DN压焊区)。所述采样开关MNS1的漏极与所述功率开关MN1的漏极相连，并构成第二晶片220的S端(或称S压焊区)。这样，第二晶片220就具有四个压焊区：S端、G端、DN端、DS端。在采用垂直沟槽栅工艺制造出的包括功率开关和采样开关的第二晶片220时，对现有的垂直沟槽栅功率MOS工艺进行改进，以使所述功率开关MN1的漏极与所述采样开关MNS1的漏极分离开。这样可以实现成本更低、导通电阻更低且栅极电容更小的功率开关和采样开关。
上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。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 (8)
1.一种LED驱动电路，其特征在于，其包括：电感L1、二极管D1、电容C1、功率开关、采样开关、电流采样电路和电流模控制电路，
将电流采样电路和电流模控制电路设置于第一晶片中，将功率开关和采样开关设置于第二晶片中，
第二晶片采用垂直沟槽栅工艺制造，第一晶片的制造工艺与第二晶片的不同。
2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，电感L1、二极管D1和电容C1依次串联于输入电压和地之间，功率开关串联在电感L1和二极管D1的中间节点和地之间，所述二极管D1和电容C1之间的节点为输出节点。
3.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述采样开关和电流采样电路共同来采样所述功率开关上流过的电流并得到所述功率开关的采样电流，所述电流模控制电路根据功率开关的采样电流以及电流反馈电压输出开关控制信号来控制所述功率开关和所述采样开关的导通和截止。
4.根据权利要求1-3任一所述的LED驱动电路，其特征在于，所述采样开关和所述功率开关均是NMOSEFT，
所述采样开关的漏极连接所述电流采样电路，构成第二晶片的DS压焊区，所述采样开关的栅极与所述功率开关的栅极相连，构成第二晶片的G压焊区，并与所述电流模控制电路的输出端相连，所述功率开关的漏极接电感L1和二极管D1的中间节点，构成第二晶片的DN压焊区，所述采样开关的漏极与所述功率开关的漏极相连，构成第二晶片的S压焊区，并接地。
5.根据权利要求4所述的LED驱动电路，其特征在于，第一晶片与第二晶片封装在一起。
6.根据权利要求4所述的LED驱动电路，其特征在于，所述功率开关和所述采样开关的结构相同，
所述功率开关包括N+衬底，形成于N+衬底上方的N-层，形成于N-层上方的P-阱，自P-阱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-阱的上表面向下延伸至P-阱内的N+有源区和P+有源区，其中N+有源区形成功率开关的源极，P+有源区形成功率开关的衬体连接端，N+衬底形成功率开关的漏极，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，
在所述功率开关和所述采样开关之间形成有DP区域，所述DP区域自所述功率开关与所述采样开关之间的N-层的上表面向下延伸至N+衬底的下表面，隔离N-层和下部的N+层。
7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，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，N+有源区和P+有源区相邻接。
8.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，所述DP区域形成环形区域，在环形的DP区域内形成所述采样开关，在环形的DP区域外形成所述功率开关。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 214135 10th Floor, Area A, 530 Building, Qingyuan Road, Taihu International Science Park, Wuxi New District, Jiangsu Province Patentee after: Zgmicro Corporation Address before: 214135 10th Floor, Area A, 530 Building, Qingyuan Road, Taihu International Science Park, Wuxi New District, Jiangsu Province Patentee before: WUXI VIMICRO Corp. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20130918 |
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| CX01 | Expiry of patent term |