Экономичный высоковольтный стабилизированный источник питания интегральных микросхем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2011 №5 (59)

УДК 681.32

ЭКОНОМИЧНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

ВС. КОТОВ, ВВ. ТОКАРЕВ, А.А СЕВОСТЬЯНОВ, В.Е. БОРИСЕНКО

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 11мая 2011

Предложено использовать кремниевые высоковольтные (600 В) полевые транзисторы и, как их частный случай, диоды, ограничивающие ток, в экономичных стабилизированных источниках питания интегральных микросхем. Показано, что приборы на основе таких транзисторов позволяют упростить схемы питания интегральных AC/DC преобразователей вторичных источников питания электронных устройств за счет уменьшения количества дискретных элементов и обеспечивают требуемую стабилизацию тока и напряжения питания.

Ключевые слова: микроэлектроника, проектирование, технология, прибор, полевой транзистор.

Введение

Постоянное расширение областей применения интегральных электронных устройств предъявляет новые требования к источникам их питания электрической энергией. Это, в первую очередь компактность и экономичность.

На рис. 1 приведены типичные схемы питания на основе AC/DC преобразователей. AC/DC преобразователи являются вторичными источниками электрического питания электронных устройств, преобразующими переменный ток в постоянный. Здесь ОС - обратная связь по выводу Drain, УСС - вывод питания интегральной микросхемы (ИМС), VSTR - вывод запуска ИМС. Практически все схемы реализованы так, что для питания микросхемы, входящей в их состав, используется обратная связь по высоковольтному выводу Drain. Принцип работы схемы питания заключается в заряде конденсатора через резистор в момент включения и дальнейшая подпитка ИМС электрической энергией, запасенной этом конденсаторе. Как правило, напряжение питания ИМС, используемой в таких преобразователях, составляет 16-40 В. Управление схемой питания осуществляется в ряде случаев оптоэлектронной парой.

Перспективным для экономичных вторичных источников питания представляется использование схем с высоковольтным полевым транзистором, управляемым p-n переходом. Разработка таких схем ведется начиная с 80-х годов прошлого века. Современные интегральные

вторичные источники питания на основе полевых транзисторов рассчитаны на регулируемый ток от 10 мкА до 15 мА в диапазоне напряжений 1-100 В с мощностью до 1 Вт [1-3], что позволяет использовать их лишь в маломощных электронных устройствах, таких как блоки телефонных линий, портативные устройства.

Целью данной работы является разработка конструкции простых экономичных источников стабилизированного питания ИМС на основе кремниевого высоковольтного полевого транзистора, управляемого ^-«-переходом, для AC/DC преобразователей и технологического процесса их изготовления. Предложенная нами конструкция позволяет расширить диапазон рабочих напряжений до 600 В.

Конструкция высоковольтного полевого транзистора, управляемого ^-«-переходом

Для обеспечения стабилизированного напряжения и тока предлагается в качестве основного элемента использовать кремниевый 600 В полевой транзистор, управляемый р-п переходом, с дополнительным защитным диодом с прямым напряжением менее 0,8 В, который изготавливается в интегральном исполнении вместе с полевым транзистором. Такое решение выгодно отличается от наиболее близкого к нему аналога CL2 фирмы Supertex [4] уменьшенным размером кристалла, в котором формируются требуемые полупроводниковые элементы, и более простой технологией изготовления. Причем для 600В полевого транзистора не требуется применения понижающих напряжение схем после выпрямительного диодного моста.

Структура разработанного полевого транзистора, управляемого р-п-переходом, и защитного диода в интегральном исполнении показана на рис. 2,а, а на рис. 2,б представлена структура такого же транзистора, но с закороченными затвором и истоком, выполняющего роль ограничивающего ток диода. Защитный диод, образованный р-п-переходом /Ч/карман N-типа (расположен в правой части рис. 2,а,б), служит для предотвращения протекания тока от подключенной к нему цепи обратно через полевой транзистор.

ИСТОН

сток

затвор ■

подложка

анод

катод

J

ТО

¥

исток

? затвор-----| |

Т.. Г 1— м Ь.=1

I J 1 Р+ J I-DEE-1 ^ Р+ J

Карман N-типа / Карман Л/-типа

Р-подложка защитный диод

crdQ

VD

¥

Рис. 2. Структура полевого транзистора на кремнии (а) и ограничивающего ток диода (б) в интегральном исполнении с защитным диодом и их условное графическое обозначение

Варианты использования 600 В полевого транзистора, управляемого ^-«-переходом, и ограничивающих ток диодов вместо стандартной схемы для питания ИМС в AC/DC преобразователях. показаны на рис. 3.

а

Uin+

Uin-

r Vcc

а б

Рис. 3. Схема замещения цепи питания ИМС AC/DC преобразователей полевым транзистором, управляемым p-n-переходом (а) и ограничивающим ток диодом (б)

Полевой транзистор в комбинации с диодом с прямым падением напряжения менее 0,8 В и ограничивающий ток диод в комбинации с вышеназванным диодом и стабилитроном дают стабилизированные ток и напряжение на вход питания Vcc. Изменение входного напряжения почти не оказывает влияниея на выходной стабилизированный ток и напряжение, в то время как входное напряжение может расти до 600 В, что обусловлено пологой частью выходной характеристики полевого транзистора, показанной на рис. 4, где IP - рабочий ток; VK - напряжение, при котором выходной ток составляет 80% тока отсечки; VB - напряжение пробоя; IR -допустимый обратный ток.

< £

0 8 I»

-»-

600V Va Voltage (V) —-

Рис. 4. Схематическая выходная характеристика 600 В полевого транзистора, управляемого p-n-переходом

В табл. 1 приведены основные требования к основным параметрам полевого транзистора для температуры 25°С, применяемого в схемах, показанных на рис. 3.

Таблица 1. Основные параметры полевого транзистора при 25°С

Параметр Мин. Типовое Макс. Ед. измерения

Рабочий ток, 1Р -20% От 0,2...до 10 +20% мА

Максимальное рабочее напряжение, Vds 600 - - В

Наклон характеристики на участке стабилизации от 40 до 600 В, gL 20~40 %

Напряжение отсечки, VpINCн ест -30% 10, 15, 20 +30% В

Рабочие температуры -40 - 125 °С

Предельные температуры -55 - 150 °С

Расчет конструкции и технологического процесса

Расчет элементов конструкции 600 В полевого транзистора, управляемого р-п-переходом, и основных параметров технологического процесса его изготовления осуществлен с использованием стандартного пакета САПР TCAD SINOPSYS.

Маршрут изготовления прибора включает в себя шесть фотолитографических операций и пять высокотемпературных разгонок примесей.

Варьируемые параметры технологического процесса для получения требуемого напряжения отсечки: доза легирования ^кармана, время разгонки ^кармана; время разгонки затвора ^-типа. Данные параметры определяют ширину канала полевого транзистора: остаток N кармана под затвором ^-типа. Зависимость напряжения отсечки КРщСН_0РР от ширины канала представлена на рис. 5. В результате расчетов установлено, что такой важный параметр как наклон характеристики на участке стабилизации gL зависит от длины канала (рис. 6).

40 60 _Длина канала, мкм

Рис. 5. Зависимость напряжения отсечки (РрвдсНОЕр) от ширины канала( ^канала)

Рис. 6. Зависимость наклона характеристики ,) в диапазоне напряжений 40-600 В от длины канала ^ш„ала)

При длине канала 65 мкм и более наклон характеристики на участке стабилизации становится минимально возможным и от дальнейшего увеличения длины канала практически не зависит.

Результаты расчетов основных параметров полевого транзистора, управляемого р-п-переходом, приведены в табл. 2. Показано, что для достижения напряжений отсечки 20 В необходимо получить ширину канала порядка 6,2 мкм. Распределение потенциала в расчетной структуре в предельном режиме и основные вольт-амперные характеристики прибора показаны на рис. 7-9.

Таблица 2. Результаты моделирования 600В полевого транзистора с рабочим током 10 мА

Расчетные параметры транзистора с длиной канала 30 мкм

^ршсн орр, В (^ = 40 В, Iл = 100 нА) -10 -15 -20

BVDs, В (1а = 15 мА) 616 630 636

BVGs, В 80 77 81

и, мкА/мкм ^ = 40 В, V,, = 0 В) 5,52 10,37 10,64

gL,%(Vd ,= 40 - 600 В) 39,6 31,3 22,3

gL,%(Vds= 40 -540 В) 14 19 18

канала, мкм 4,73 5,56 6,24

Расчетные параметры транзистора с длиной канала 65 мкм

^ршсн орр, В (V,, = 40 В, I с= 100 нА) -10 -15 -19,5

BVDS, В (1л = 15 мА) 615 630 622

BVGs, В 82 81 85

Id, мкА/мкм = 40 В, V,,, = 0 В) 2,62 4,31 8,49

gL,%(Vds = 40 - 600 В) 26,6 27,5 35

= 40 - 540 В) 10 19 22

^канала, мкм 4,71 5,59 6,23

s _

f f is_^а^^^^ы/^шщпк^к_я> щ щ iff up ii? щ is ш у «; щ i;s лщ

ЧОга*» fVoat;

Рис. 8. Выходная вольт-амперная характеристика полевого транзистора в зависимости от напряжения на затворе: 1-0 В; 2 - минус 2,5 В; 3 - минус 5 В; 4 - минус 7,5 В

Планарная конструкция полевого транзистора, управляемого р-п-переходом, позволяет получить приборы с рабочим напряжением до 600 В с необходимыми характеристиками, достаточными для применения в цепи питания ИМС AC/DC преобразователей. Количество фотолитографий в процессе - 6. Проведенные расчеты позволили оценить оптимальную длину канала для обеспечения минимально возможного наклона характеристики на участке стабилизации.

Схемы замещения цепи питания ИМС AC/DC преобразователей с использованием 600 В полевого транзистора позволяют наряду с упрощением снизить ее стоимость. В зависимости от технико-экономических возможностей производства экономия составит как минимум 40% при изготовлении приборов в Беларуси и до 70% при изготовлении в КНР.

. Vptachoff 1JB ----vtrinch «ff-Э» . ■ ..¡stfi^'

■*' ** S • * * / У /

/ !

1 I 1

; 1 1 I

1

т

],е-05

Vgs, В

Рис. 9. Ток стока полевого транзистора с напряжением отсечки 10 В, 15 В, 20 В в зависимости от напряжения на затворе (напряжение отсечки дано на уровне 100 нА)

Выводы

Показано, что 600 В приборы на основе полевого транзистора, управляемого р-п-переходом, позволяют упростить схемы питания ИМС AC/DC преобразователей за счет уменьшения количества используемых элементов. Упрощенная схема питания дает макси-

мально стабилизированный ток в диапазоне входного напряжения от 15 до 600 В. Как сам полевой транзистор, управляемый ^-«-переходом, так и вспомогательные элементы конструкции источника питания ИМС на его основе можно изготавливать по планарной кремниевой технологии с шестью фотолитографическими масками.

Авторы признательны Стаднику Г.М. за внимание к работе и конструктивные предложения при обсуждении результатов.

COST-SAVING HIGH-VOLTAGE STABILIZEDPOWER SUPPLY OF

INTEGRATED CIRCUITS

V S. KOTAU, V.V. TOKAREV, A.A. SEVOSTIYANOV, V.E. BORISENKO

Abstract

It was proposed to use silicon high-voltage (600 V) FETs, and as their special case, current limiting diodes, in cost-saving stabilized power supply of ICs. It is shown that devices based on these transistors allows to simplify the power supply circuits of integrated AC/DC converters of secondary power supply of electronic devices by reducing the number of discrete elements and provide required stabilization of supply current and voltage.

Литература

1. Sze Chin // Semiconductor Monthly. №15. 2000. P. 49.

2. [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.centralsemi.com/PDFs/products/CCLM0035-5750.PDF, http://www.semitec-usa.com/downloads/crd.pdf, http://www.linearsystems.com/datasheets/ J500.pdf

3. [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.centralsemi.com/PDFs/products/Boosting_the_CLD.pdf

4. [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.supertex.com/pdf/misc/CL2PSS.pdf