基于常规CMOS工艺的电子镇流器芯片设计

摘要：分析当前主流电子镇流器控制芯片的优缺点，提出了一种适用于功率在20W以下节能灯控制芯片的设计方案。采用常规的cmos铝栅工艺。整个控制芯片由主芯片和高压管驱动两块芯片组成，两管间通过自举电容耦合。自举电容起的作用：(1)隔离高压 (2)传输高压功率管的控制信号。此设计方案的难点是设计出符合上述设计要求的高压管驱动芯片。此款芯片采用6μm CMOS铝栅工艺模型，经仿真验证，现已通过MPW流片成功。测试各项指标都达到设计要求。

关键词：常规CMOS工艺；自举；电容耦合；高压管驱动芯片

中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31434-03

The Design of A IC for Elrectronic Ballasts with Standard CMOS Technology

HUANG Hao-feng

(South West University IC Institution, Nanjin 210096, China)

Abstract:Based on the analyze the advantage and shortcoming of current electronic Ballasts .put forward a kind of project applicabled below 20 Walt .A method is proposed that uses two low-voltage integrated circuits (LVICs) to provide high and lowside gate drive in high-voltage applications. Two coupling capacitor is placed between the two ICs to provide two functions: (1) high-voltage isolation, (2) signaling to the high-side for on/off control. The simulation results are obtained by Cadence Spectre based on 6μm CMOS process.

Key words:stand CMOS;dual low voltage ICs;self-boost;capacitive coupling

1 引言

随着我国经济的持续发展，对节省能源的重视；人们对绿色照明的应用，特别是用紧凑型荧光灯(CFL)替代白止灯的要求，必然会导致高性能（采用控制器IC）的电子镇流器的广泛应用。同时我国集成电路从设计，生产，测试等方面都有提升，使得我们有能力使用上拥有自的国产的电子镇流器控制IC。

现今，不管是国外的IC巨头，如IR公司，飞兆公司，和英飞凌公司；还是国内的上海贝岭，复旦微电子有限公司，都是将高压功率器件和低压CMOS控制部分，保护电路做在同一芯片上。这样做的优点是：可靠性高，输出电流大，能驱动多个荧光灯，但是缺点也是很明显的：由于采用了VDMOS工艺，芯片的成本高。可见由目前主流IC制成的电子节能灯，应用上存在的最大因素是价格问题。

目前市面上家庭照明用的一体化节能灯都采用磁环变压器的半桥逆变器电路，由于价格合理，使用效果良好，已经完全占领了功率在20W以下节能灯市场，但是分立元件自身的固有的问题，如驱动电压波形不理想，容易烧毁功率管，磁环的加工困难等等。如果能用采用普通的CMOS工艺设计，设计、生产出电子节能灯控制IC,必将会有很好的市场前景，和很好的经济效益。

2 设计方案的选取

交流电子电子镇流器是D类转换器[7]，要实现D类功率转换，需要能驱动高、低压功率管的电路，设计中采用以下三种方案：

2.1变压器提高输出电压

此方案设计思路：控制电路输出有死区时间的两路倒相脉冲。一路脉冲直接输入低压功率管的栅（基）级；另一路脉冲输入到变压器的初级，经变压器升压后，从次级输出到高压功率管的栅（基）级。电路如图3－1（a）所示。

此方案的优点是：控制芯片可以采用常规的CMOS工艺；缺点是需要变压器，系统成本高。

2.2通过VDMOS隔离高压、低压部分。

此方案的设计思路：将高压、低压驱动电路做在一块芯片上，通过芯片内部的VDMOS隔离开高，低压电路。将高压功率管工作时，高压加在VDMOS上，芯片的两路输出都可以直接输入到高、低压功率管的控制端。电路如图 3－1 （b）所示

此方案的优点是：器件少，系统稳定性好；缺点是芯片制造工艺复杂，芯片成本高。

2.3高、低压驱动电路做在不同芯片上。

此方案的设计思路：采用常规的CMOS工艺设计、制造两块高压、低压驱动电路，两块芯片间通过电容耦合。电容的作用有两个隔离高压、将控制信号很好的从低压驱动芯片传到高压驱动芯片。此方案又有两种，耦合电容采用一只和两只的解决方法，电路如图 1 （c）、（d）所示。

此方案的优点是：两块芯片都可以采用常规的CMOS工艺，价格低廉；缺点是：工作频率不能高于100KHZ,输出驱动能力弱。

对照以上三种方案，总结成表1：

表1 交流电子镇流器芯片设计三种方案比较

本次设计采用方案三种的第二种：即使用两只耦合电容的两块芯片做为电子节能灯驱动芯片的主体。

3 电子节能灯的架构和工作原理

3.1电子节能灯的架构

图1为采用了用常规CMOS工艺设计IC的电子节能灯的整体架构图，整个节能灯系统的核心是两块芯片IC1,IC2L两块芯片间信号的耦合靠电容C1.、C2。

图2 电子节能灯的架构图

IC1、IC2各引脚说明如下：

表2 IC1各引脚的功能如下表所示

表3 IC2各引脚的功能如下表所示

3.2节能灯电路原理

芯片IC1、IC2都正常工作时，IC1、IC2在LOUT2、HOUT2端产生了约50KHZ的相互交错的矩形脉冲，

当HOUT2端为高电平时，LOUT2端为低电平，Q1导通，Q2截至。电感上流过的电流为从左到右。此时电流流过的路径为直流电压311VQ1的集电极Q1的发射极电感L灯丝 谐振电容灯丝地。同时由于Q1的饱和态，Q1的发射极电位为311V,也就是说IC2芯片的衬低（COM端）电位为311V。

当HOUT2端为低电平时，LOUT2端为低电平，Q1截至，Q2也截至。但是电感上的电流不能突变，此时要有回路来维持电感上的电流。电流流过的路径为电感反相电动势的正极灯丝谐振电容灯丝并联在Q2端的二极管D2地电感反相电动势的正极。

当HOUT2端为低电平时，LOUT2端为高电平，Q1截至，Q2导通。电感上流过的电流为从右到左。此时电流流过的路径为直流电压311VQ1的集电极Q1的发射极电感L灯丝 谐振电容灯丝地。

当HOUT2端为低电平时，LOUT2端为低电平，Q1截至，Q2也截至。电感上流过的电流为仍要维持从右到左。此时电流流过的路径为电感反相电动势的正极并联在Q2端的二极管D2地灯丝谐振电容灯丝地电感反相电动势的正极。

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有电路原理知识：由于LC串联回路产生谐振，谐振电容两端产生高压，点亮灯管。

4 具体电路设计

IC1是主芯片，包括了控制部分、低压驱动、低、高压信号传输三个功能模块，其中控制模块又有振荡器、预热、死区调节、欠电压保护四个子模块电路组成。而低压驱动和低、高压信号传输电路实则上就是多极缓冲器，其目的就是要能驱动后级功率管、或者带大电容负载。

IC2是高压驱动芯片，包括了信号的接收、整形和驱动两个功能模块。信号的接收、整形电路作用是电平位移。

4.1 主芯片的电路图

图3 主芯片电路图

4.2高压端驱动芯片的电路图

图4 高压端驱动芯片

电路原理分析：

输入信号IN1、IN2来自主芯片的输出的矩形脉冲，其幅度为0－12V,通过传输门后，加到RS触发器的两端，从RS触发器输出脉冲基本和IN1一样，也就是说通过RS触发器后，能将主芯片的输出脉冲信号较好的传输到本芯片的内部，且能使后面的多极BUFFER能正常工作。

仿真波形如下：

图5 高压功率管的漏、源级电压波形

5 芯片测试

芯片的测试平台和相应的测试波形

图6(a)(b)分别是两芯片的实物图，(a)是下功率管驱动电路；(b)是上功率管驱动电路。

下面的图是在面包板上搭建的测试电路：

图7 实测电路图

下图是低、高压功率管的脉冲波形图：

图8 高、低压功率管驱动脉冲波形

从图中看到上、下管有一定的死区时间，在测试中可以根据具体驱动不同灯管，来调节死区时间，原则是：即要保证上、下管的温度控制在40度以下，以便于整个节能灯一体化封装，这可以加大死区时间来减少上、下功率管导通的时间；同时要保证效率，减少死区时间能提高效率。测试结果得出：灯管功率越小，死区时间越大。表4为灯管功率和死区时间的对应表。

表4

从测试的情况看：芯片基本工作正常，各项指标达到原设计要求。

6 总结

(1)通过使用更好的系统结构来减少元器件的个数，本次设计中高低压驱动芯片信号是通过两个电容耦合的，如果能设计成信号通过一个电容耦合，从主芯片的输出端耦合到高压部分驱动芯片的输入端，这样电路更简单，生产成本更低。

(2)由于我们采用的工作频率是固定的频率，这就对LC谐振回路电感、电容的参数提出较苛刻的要求，不便于大批量的生产；同时由于电容受温度的影响较大，系统会存在不稳定的情况。如果采用从高频开始往下扫描，线形变化这种工作频率的电路结构，就能很好避免上述情况。

(3)由于此次MPW主要是验证用常规的CMOS工艺能否设计、制造电子节能灯驱动芯片，固在芯片的保护部分考虑较少，如缺少过电流保护，过温饱和，过电压保护等等。以至于在芯片测试时，稍不留意，就会损害芯片。这些在以后的设计、流片中要着重考虑。

(4)电路由很多器件组成，这些器件的参数随工作环境的变化和芯片的能否正常工作密切相关，所以在芯片设计时就需要考虑参数的裕度，以保证系统能在不同环境下正常工作。同时以后设计时考虑将有些的器件集成到芯片内部来。

参考文献：

[1]李桂宏,谢世健.集成电路设计宝典.电子工业出版社,2006.

[2]陈星弼.功率MOSFET和高压集成电路.东南大学出版社,1990.

[3]陈传虞.电子节能灯与电子镇流器的原理和制造.人民邮电出版社,2005.

[4]Y.Yin,R.Zane, "dual low voltage IC Based High and Low Side Gate Drive,"Proceeding IEEE Applied Power Electronics Conference and ExpositionMarch 1999 pp 760-763.

[5]Application note: HV Floating MOS-Gate Driver ICs.International Rectifier,AN978,June 2003,Available at www.省略

[6]P.Shihong.T.M.Jabns,"Aself-boost charge pump topology for a gate drive high-side power supply” in Proc.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition Feb.2003,pp.126-131

[7]L.R.Nerone, "A Complementary Class D Converter,"Industry Application Society Annual Meeting,1998,pp.2052-2059.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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