應(yīng)用于負電源的電平位移電路及器件設(shè)計

摘要：本文設(shè)計了一種應(yīng)用于負電源的電平位移電路。實現(xiàn)從0～8V低壓邏輯輸入到8～-100V高壓驅(qū)動輸出的轉(zhuǎn)換。分析了該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。基于此電路結(jié)構(gòu)設(shè)計了滿足應(yīng)用要求的高壓薄膜SOI LDMOS器件。分析了器件的工作狀態(tài)以及耐壓機理，并利用工藝器件聯(lián)合仿真對器件的電學特性進行了優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞：電平位移；薄膜SOI；LDMOS；負電源；開態(tài)擊穿電壓

隨著智能功率IC的發(fā)展．其應(yīng)用領(lǐng)域和功能都在不斷地擴展。而作為智能功率IC中的重要一類柵驅(qū)動IC在功率開關(guān)、顯示驅(qū)動等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在柵驅(qū)動電路中需要電平位移電路來實現(xiàn)從低壓控制輸入到高壓驅(qū)動輸出的電平轉(zhuǎn)換。而在一些領(lǐng)域如SOC中的待機模式激活、ESD保護等需要能工作在負電源的電平位移電路。
SOI(Silicon-On-Insulator)技術(shù)以其高速、低功耗、高集成度、極小的寄生效應(yīng)以及良好的隔離等特點，在集成電路設(shè)計應(yīng)用中倍受青睞。其優(yōu)良的介質(zhì)隔離性能使得智能功率IC中高低壓器件的隔離更為完善。
本文基于SOI高壓集成技術(shù)設(shè)計了電源電壓為8～-100V的電平位移電路，并對電路中的核心LDMOS器件進行了設(shè)計和模擬仿真優(yōu)化。

1 電路結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)正電源應(yīng)用的電平位移電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。L1、L2、L3是由邏輯電路部分產(chǎn)生的低壓時序控制信號，N1、N2、N3為高壓nLDMOS器件，P1、P2、P3為高壓平pLDMOS器件。由P1，P2和N1、N2構(gòu)成的電平位移單元將L1、L2的低壓邏輯信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥刂芇3管的高壓電平，與L3一起控制由P3和N3組成的反向輸出級，從而實現(xiàn)從低壓邏輯信號到高壓驅(qū)動輸出的轉(zhuǎn)換。

在正電源電平位移電路中，由于nLDMOS的源極為低壓，所以可以通過低壓邏輯部分來控制其開關(guān)狀態(tài)，而源極為高壓的pLDMOS則通過電平位移來控制。當高壓驅(qū)動電壓為8～-00V，低壓邏輯部分工作電壓為0～8V時，電平位移轉(zhuǎn)換部分的電壓分布本身沒有改變，但是在和低壓控制端接合時，與傳統(tǒng)的正電源相比電平發(fā)生了改變，就需要重新設(shè)計低壓邏輯的控制方式。此時，nLDMOS的源極為-100V電壓，顯然不能通過低壓邏輯控制部分的0～8V電壓來實現(xiàn)控制，而pLDMOS的源極為8V電源。因此采用了低壓邏輯輸出直接控制pLDMOS，而nLDMOS則通過電平位移來控制的方法，如圖1(b)所示。