如何改善高壓驅動(dòng)器的性能

在大屏幕直視型平板顯示器中，需要高達200V的電壓來(lái)對等離子體(PDP)進(jìn)行電離、提取電子(FED)和旋轉或激勵微粒(EL)，以及抵消因為行電阻而產(chǎn)生的寄生阻抗和電感某些應用，如等離子顯示器中的行驅動(dòng)器，還需要高達3A的電流，如此高的電流會(huì )導致很高的電阻損耗以及過(guò)多的功耗

這些損失主要是因為輸出驅動(dòng)器晶體管在導通狀態(tài)的電阻(Ron)造成，當最大處理電壓增加時(shí)該損耗增加為降低Ron，設計師要么增加輸出器件的尺寸，要么對輸出器件進(jìn)行過(guò)驅動(dòng)，然而隨著(zhù)光刻工藝尺寸的減小，實(shí)現會(huì )變得更加困難也可以用絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)來(lái)減少大電流下的等效Ron

除了優(yōu)化驅動(dòng)器輸出級的電流/電壓性能，IC設計師需要使寄生電流損耗最小寄生電流是因為轉移電流從應用側流過(guò)器件而產(chǎn)生的該電流流過(guò)內部體二極管，流到高電壓電源或從地流出，并導致器件產(chǎn)生額外的功耗設計師需要確保盡量少的電流分別注入或轉移到襯底，或從電源輸出，以避免驅動(dòng)器的損壞(閉鎖)

最后一點(diǎn)值得注意的是，由顯示IC實(shí)現的邏輯功能越來(lái)越重要，每個(gè)驅動(dòng)器芯片輸出的不斷增加需要邏輯部分的更高邏輯密度和速度所有的大屏幕直視顯示器驅動(dòng)器在輸入端內置控制電路，大多數這些芯片還在輸出級集成轉換器因此，需要能實(shí)現更有效集成的制造工藝，使得大電壓、大電流級與復雜的低電壓控制電路在同一個(gè)芯片上共存

電氣因素、寄生效應和控制邏輯三個(gè)主要因素的組合影響制造工藝的選擇設計師正在努力尋找當前的制造工藝在優(yōu)勢和局限性上的最佳平衡：高壓CMOS(HV-CMOS)、雙極CMOS-DMOS(BCD)以及絕緣硅(SOI)技術(shù)

HV-CMOS是一種標準的MOS工藝，具有用于高壓器件的擴展漏極Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)是來(lái)自意法半導體公司的專(zhuān)有工藝技術(shù)，是雙極工藝、CMOS工藝和擴散MOS(DMOS)技術(shù)的結合在CMOS和BCD工藝中，組件通過(guò)反向偏置二極管進(jìn)行電氣隔離，其硅面積與晶體管工作電壓成正比這稱(chēng)為結隔離

HV-CMOS在表面傳導電流，因此需要額外的硅面積來(lái)實(shí)現漏極和源極觸點(diǎn)，BCD使用垂直MOS晶體管，具有部分內埋入的漏極電極，電流在晶體管內流動(dòng)對于功率要求高的應用來(lái)說(shuō)，采用BCD工藝的雙極器件可以產(chǎn)生最高的電流密度

盡管存在寄生效應，BCD器件可以設計為工作在寄生器件被觸發(fā)的條件外，即使在最壞情況下，寄生晶體管的增益也被顯著(zhù)地降低對于指定的器件大小，與采用傳統的高電壓CMOS工藝的厚氧化物上的PMOS相比，下沉層和埋入層的DMOS結構提供高得多的抗閉鎖性能DMOS消除了采用高電壓CMOS工藝的高增益寄生晶體管的問(wèn)題，因此對于給定的電流值提供了更穩定、更小的解決方案

SOI采用了電介質(zhì)隔離的原理，其中的器件被絕緣的二氧化硅(SiO2)隔離與結隔離相比，在SOI中的絕緣面積實(shí)際上與工作電壓無(wú)關(guān)，在采用相同的光刻工藝條件下不影響總的硅片尺寸氧化物隔離層避免了電流漏入到襯底，或者從電源轉移，并且寄生電容大大地降低，從而產(chǎn)生較低的功耗和更快的工作頻率SOI方法提供非常優(yōu)越的功率管理、更快的開(kāi)關(guān)頻率，以及集成IGBT器件的選項，這對于采用結隔離工藝來(lái)說(shuō)是不可能的然而，這些好處需要平衡考慮因為在SOI結構頂部額外的硅片層帶來(lái)的附加成本

對于當今的大尺寸顯示器來(lái)說(shuō)，高電壓CMOS似乎在更低的電壓和電流級別找到用武之地(見(jiàn)圖1)

圖1：不同的工藝在電流和電壓方面的折衷

在需要大電流的40到100V之間的電壓范圍，ST公司專(zhuān)有的BCD技術(shù)能實(shí)現高集成度、高電壓和低成本的最佳折衷然而，隨著(zhù)驅動(dòng)器輸出數量的不斷增加(最高達256個(gè)輸出)，寄生效應會(huì )相應地成倍數增加，導致功耗增加

對于電壓高于100V的高密度應用，需要在標準BCD工藝中包含SOI特性，以在不犧牲集成密度和抑制IC結構中的寄生單元的條件下承受高的電壓通過(guò)將硅層與襯底隔離，SOI減少了在開(kāi)關(guān)操作中晶體管需要移動(dòng)的電荷數量，增加了開(kāi)關(guān)速度，相對于CMOS工藝芯片減少了開(kāi)關(guān)能量

ST的工藝工程師最近開(kāi)發(fā)了0.32um尺寸的帶SOI特性的BCD工藝(BCD6-SOI)，其目標應用包括90~190V，能保持高于1.4A的電流以及適合實(shí)現復雜的系統功能該工藝能有助于降低顯示器驅動(dòng)器的高電壓輸出級的尺寸，以及能嵌入新的驅動(dòng)協(xié)議，例如RSDS(小擺幅差分信號)，并最終通過(guò)集成能量恢復控制(ERC)優(yōu)化功耗