應用于負電源的電平位移電路及器件設計

摘要：本文設計了一種應用于負電源的電平位移電路。實現從0～8V低壓邏輯輸入到8～-100V高壓驅動輸出的轉換。分析了該電路的結構和工作原理。基于此電路結構設計了滿足應用要求的高壓薄膜SOI LDMOS器件。分析了器件的工作狀態以及耐壓機理，并利用工藝器件聯合仿真對器件的電學特性進行了優化設計。
關鍵詞：電平位移；薄膜SOI；LDMOS；負電源；開態擊穿電壓

隨著智能功率IC的發展．其應用領域和功能都在不斷地擴展。而作為智能功率IC中的重要一類柵驅動IC在功率開關、顯示驅動等領域得到廣泛應用。在柵驅動電路中需要電平位移電路來實現從低壓控制輸入到高壓驅動輸出的電平轉換。而在一些領域如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)技術以其高速、低功耗、高集成度、極小的寄生效應以及良好的隔離等特點，在集成電路設計應用中倍受青睞。其優良的介質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高壓集成技術設計了電源電壓為8～-100V的電平位移電路，并對電路中的核心LDMOS器件進行了設計和模擬仿真優化。

1 電路結構
傳統正電源應用的電平位移電路結構如圖1(a)所示。L1、L2、L3是由邏輯電路部分產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構成的電平位移單元將L1、L2的低壓邏輯信號轉變為可以控制P3管的高壓電平，與L3一起控制由P3和N3組成的反向輸出級，從而實現從低壓邏輯信號到高壓驅動輸出的轉換。

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狀態，而源極為高壓的pLDMOS則通過電平位移來控制。當高壓驅動電壓為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，與傳統的正電源相比電平發生了改變，就需要重新設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。