當(dāng)前，數(shù)字多媒體、視頻廣播設(shè)備、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（PND）、車載電源設(shè)備的使用越來(lái)越廣泛, 為這些設(shè)備提供電源管理，常需要具有高壓大電流高轉(zhuǎn)換率效的DC-DC轉(zhuǎn)換器。為了減小設(shè)備體積和重量，電源模塊必須最小化，因此，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的高轉(zhuǎn)換效率以及高集成度成為一種趨勢(shì)[1-2]?？紤]到電壓控制模式和非同步轉(zhuǎn)換器的一些缺點(diǎn)，更多的系統(tǒng)選擇使用同步電流模式DC-DC轉(zhuǎn)換器；圖1為典型電流模同步BUCK轉(zhuǎn)換器的電路框圖，圖中陰影部分為轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)，而電流控制模式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器中功率級(jí)的設(shè)計(jì)是最重要的功能模塊之一，亦是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在，原因在于：功率級(jí)中作為開(kāi)關(guān)的功率晶體管導(dǎo)通電阻會(huì)影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的效率，在大負(fù)載電流條件下，功率開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻還會(huì)影響芯片的熱設(shè)計(jì),一般來(lái)講，功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻與其寬長(zhǎng)比成反比，但大尺寸器件會(huì)導(dǎo)致更大的芯片面積，增加芯片的成本，缺少市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，怎樣能夠在減小導(dǎo)通電阻和芯片面積之間找到合適的折中點(diǎn)是功率晶體管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；其次，功率晶體管在版圖設(shè)計(jì)時(shí)的寄生效應(yīng)也會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的性能，功率晶體管的版圖優(yōu)化是功率級(jí)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分；最后，電流模轉(zhuǎn)換器需要對(duì)電感電流進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)合適的低功耗電感電流檢測(cè)電路亦是功率級(jí)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

　　基于上面的考慮，本文將以電流模式控制同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)計(jì)輸入電壓最大為18 V、典型輸出電壓為5 V、能夠提供3 A負(fù)載電流的功率級(jí)。

1 同步功率晶體管設(shè)計(jì)

　　對(duì)于單片高壓大電流集成DC-DC轉(zhuǎn)換器，功率級(jí)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，特別是高壓功率開(kāi)關(guān)采用LDMOS晶體管，在大電流下需要考慮以下幾個(gè)方面： DMOS晶體管會(huì)寄生雙極性晶體管，當(dāng)晶體管流過(guò)一定的電流，晶體管的漏極和源極電壓會(huì)增加到擊穿電壓，然后漏源電壓將回跳到一定的低值[3-4]；其次，在負(fù)載電流比較大時(shí)，芯片封裝時(shí)引線產(chǎn)生的寄生電阻[5]將不能忽略不計(jì)，如圖2所示，RP1～RP4為芯片封裝引線產(chǎn)生的寄生電阻，為了能夠減小其寄生電阻，在芯片封裝時(shí)，PAD與封裝管腳之間引線要避免過(guò)長(zhǎng)；圖2中，RONMD1為主功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻，RONMD2為同步開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻； Q1和Q2是由驅(qū)動(dòng)電路控制的理想開(kāi)關(guān)。

　　主開(kāi)關(guān)的等效直流導(dǎo)通電阻RHS如下式所示：

　　RHS=RP1+RMD1+RONMD1+RMS1+RP2(1)

　　其中：RMD1和RMS1分別為主開(kāi)關(guān)功率晶體管版圖設(shè)計(jì)時(shí)漏極和源極金屬連線產(chǎn)生的寄生電阻，該電阻主要由金屬連線的物理設(shè)計(jì)決定。

　　同步開(kāi)關(guān)的等效直流導(dǎo)通電阻RLS如下式所示：

　　RLS=RP3+RMD2+RONMD2+RMS2+RP4(2)

　　其中：RMD2和RMS2分別為同步開(kāi)關(guān)功率晶體管版圖設(shè)計(jì)時(shí)漏極和源極金屬連線產(chǎn)生的寄生電阻，該電阻主要由晶體管的物理設(shè)計(jì)決定。

　　主功率開(kāi)關(guān)和同步開(kāi)關(guān)晶體管一般選用N溝道LDMOS晶體管，原因在于N溝道LDMOS晶體管的電子遷移率大于P溝道LDMOS晶體管空穴遷移率，對(duì)于相同大小的導(dǎo)通電阻，LDNMOS晶體管的面積僅為L(zhǎng)DPMOS晶體管面積的1/2～1/3[3]，本文設(shè)計(jì)主開(kāi)關(guān)和同步開(kāi)關(guān)等效直流導(dǎo)通電阻RHS和RLS約為88 m?贅。

2 電感電流檢測(cè)電路

　　電流模式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，電感電流的檢測(cè)是智能功率芯片非常重要的功能之一，因此也衍生了多種電感電流檢測(cè)的方式[6]。

　　本文對(duì)電感電流檢測(cè)的方式采用間接檢測(cè)方式，圖3給出電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)主開(kāi)關(guān)功率（MD1）晶體管導(dǎo)通時(shí)，MD1的漏極電流等于電感流過(guò)的電流，為了避免直接檢測(cè)MD1電流會(huì)導(dǎo)致消耗更大的功耗，不利于系統(tǒng)的效率提高，本設(shè)計(jì)采用等比例檢測(cè)主開(kāi)關(guān)MD1的漏極電流，然后通過(guò)在比例晶體管MD2的漏極連接一個(gè)較小的電阻將比例電流轉(zhuǎn)換成電壓VSENS，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于：采樣電流的功耗較低，由于采樣電阻連接在晶體管的漏極，電流的比例系數(shù)精確。下面給出VSENS的計(jì)算公式：

　　其中，M為功率晶體管電流采樣比例系數(shù)，在本設(shè)計(jì)中，檢測(cè)電感電流技術(shù)如圖1所示，MD1的寬長(zhǎng)比是MD3的寬長(zhǎng)比的49倍，即M=49。由RSENSE=2 ?贅電阻把采樣的電流轉(zhuǎn)換成電壓，并通過(guò)圖3所示的電路把該采樣的電壓進(jìn)行放大，該放大系數(shù)設(shè)計(jì)為R3/R1，2=5倍。

3 同步功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　在降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，主開(kāi)關(guān)晶體管使用N溝道LDMOS晶體管，為了能夠驅(qū)動(dòng)該功率開(kāi)關(guān)晶體管，需要集成片上自舉電路才能驅(qū)動(dòng)LDNMOS功率晶體管。

　　由于轉(zhuǎn)換器采用同步工作模式，主開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，為避免主開(kāi)關(guān)和整流開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通可能造成的功率晶體管的損壞，以及損失轉(zhuǎn)換器的效率，同步驅(qū)動(dòng)電路還需要采用死區(qū)時(shí)間控制邏輯電路，詳細(xì)電路圖如圖4所示。當(dāng)同步整流開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，同步整流開(kāi)關(guān)管的寄生二極管導(dǎo)通，但死區(qū)時(shí)間不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致由于寄生二極管導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成轉(zhuǎn)換效率降低。

　　功率級(jí)的輸入電源電壓范圍為5～18 V，功率開(kāi)關(guān)晶體管的柵源電壓為5 V。由于信號(hào)PWM為0～VDD（低電平為0 V，高電平為5 V）的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，為了對(duì)主開(kāi)關(guān)MD1的驅(qū)動(dòng)，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的電平需要轉(zhuǎn)換為SW～VBOOT；為了能夠把0～VDD電平轉(zhuǎn)換成低電平為SW，高電平為VBOOT，必須使用電平移位器（圖4中l(wèi)evel shift1）；為了能夠?qū)崿F(xiàn)死區(qū)時(shí)間的控制，還需要把SW～VBOOT轉(zhuǎn)換為0～5 V電平，使用圖4中l(wèi)evel shift2。另外，功率器件LDNMOS有比較大的柵電容，因此， LDNMOS前級(jí)反相器采用反相器鏈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4 轉(zhuǎn)換器功率級(jí)版圖設(shè)計(jì)考慮

　　由于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)MD1位于電源和輸出之間，故MD1的背柵與源極相連，而不與襯底電位相連，因此，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，該LDNMOS背柵下面需要N型埋層（NBL）作為隔離。功率晶體管的版圖設(shè)計(jì)還需要考慮以下幾個(gè)方面：

　　首先，確定功率晶體管面積，根據(jù)前面轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流對(duì)功率晶體管的需求，采用SMIC 0.35 ?滋m DPTM BCDMOS工藝技術(shù)，其LDNMOS的導(dǎo)通電阻每平方毫米為16.5 m?贅(常溫25 ℃)，本文設(shè)計(jì)的功率晶體管的面積：MD1為0.5 mm2，MD2為0.5 mm2。

　　其次，盡可能減小功率晶體管的金屬連線和封裝引線所產(chǎn)生的寄生電阻，下面分別考慮如下：根據(jù)所選用的工藝，采用頂層加厚鋁線來(lái)減小金屬連線寄生電阻，同時(shí)對(duì)頂層金屬精心布線來(lái)優(yōu)化功率晶體管的寄生電阻；一般來(lái)講，對(duì)于設(shè)計(jì)負(fù)載電流大于1 A以上的DC-DC轉(zhuǎn)換器，PAD與封裝管腳一般采用多根金絲，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)1根金絲(1密爾直徑)能夠承受約1 A電流，不同金絲直徑其電阻亦不一樣，特別是設(shè)計(jì)負(fù)載電流大于2 A以上的轉(zhuǎn)換器，由于導(dǎo)通電阻很小，引線寄生電阻在式(1)、(2)中占有的分量不能忽略不計(jì)，本設(shè)計(jì)采用4根1密爾金絲作為封裝引線。當(dāng)前，封裝引線采用銅線技術(shù)趨于成熟，而銅線的電阻率比金線電阻率小，而且還有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此采用銅線封裝越來(lái)越受歡迎。本設(shè)計(jì)采用上述設(shè)計(jì)思想，計(jì)算得到的功率管的理論值如表1所示。

　　最后，對(duì)主開(kāi)關(guān)和同步開(kāi)關(guān)需要良好的隔離，避免互相干擾；在芯片版圖中，功率器件和模擬電路需要隔離環(huán)，衰減開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)內(nèi)部模擬電路的影響。

5 功率級(jí)測(cè)試結(jié)果

　　對(duì)前面所述功率級(jí)設(shè)計(jì)，應(yīng)用到電流模降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用SMIC 0.35 m DPTM BCD工藝流片，芯片面積為1.6 mm×1.7 mm，電流模降壓型DC-DC版圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行電氣測(cè)試，測(cè)試條件：外接電感4.7 ?H，輸出電容采用22 ?滋F陶瓷電容，輸入電源電壓為12 V，轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz，輸出電壓設(shè)置為5.0 V，輸出能夠提供3 A負(fù)載電流；圖6給出了輸出為5.0 V，在輸入電源電壓為12 V，不同負(fù)載條件下的效率曲線；表2給出功率級(jí)測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻均大于表1的理論設(shè)計(jì)值，原因在于：表1給出的導(dǎo)通電阻為常溫計(jì)算值，而實(shí)際測(cè)試時(shí)，由于在大電流條件下，芯片溫度的上升導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。

6 結(jié)論

　　本文采用0.35 m DPTM 18 V BCDMOS工藝技術(shù)設(shè)計(jì)電流模降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器功率級(jí)，該功率級(jí)設(shè)計(jì)包括功率晶體管設(shè)計(jì)，并給出了功率晶體管的等效導(dǎo)通電阻，電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)以及功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，最后給出了DC-DC轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的版圖設(shè)計(jì)考慮。該功率級(jí)電路已經(jīng)應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中，測(cè)試結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)換器輸入電壓為12 V、輸出5.0 V時(shí)，輸出電流為3 A；其轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到94.5%。

參考文獻(xiàn)

　　[1] LEE C F，MOK P K T.A monolithic current-model cmos DC-DC converter with on chip current-sensing technique[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39(1)：3-14.

　　[2] Deng Haifei.Monolithically integrated boost converter basedon 0.5 m cmos process[C].IEEE Int.Symp.On Power Semiconductor Devices & ICs，2004：169-172.

　　[3] MORROW P，GAALAAS E.A 20-W stereo class-D audiooutput power stage in 0.6 ?滋m BCDMOS technology[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39(11)：1948-1958.

　　[4] HOWER P L.Safe operating area-a new frontier in LDMOSdesign[C].Proc.14th Int.Symposium on Power SemiconductorDevices and ICs，2002：1-8.

　　[5] BERKHOUT M.An integrated 200-W class-D audio ampli-fier[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2003，38(7)：1198-1206.

　　[6] FORGHANI-Z H P，RINCON-M G A.Current-sensing techniques for DC-DC converters[C].Proc.of IEEE MWS-CAS.2002：557-580.