功率集成电路PIC
高功率集成电路
高功率集成电路
高功率集成电路（High Power Integrated Circuits，HPIC）是一种集成了大量功率放大器、功率驱动器等功能的集成电路。
它们主要用于处理大功率信号，通常用于功率放大、电源管理、射频通信、激光驱动等领域。
这些集成电路通常需要具备以下特点和技术：
1. 高功率处理能力：能够处理较高功率的信号，通常需要采用特殊的功率放大器设计和工艺，以确保在高功率工作时能够保持稳定和可靠的性能。
2. 高效能耗管理：考虑到高功率工作时可能会产生较大的热量，需要设计有效的散热系统和功率管理电路，以确保电路的稳定性和可靠性。
3. 射频性能：对于射频应用领域的高功率集成电路，需要具备较高的射频性能，包括频率响应、功率增益、线性度等指标。
4. 集成度高：为了减小体积、降低成本，高功率集成电路通常需要具备较高的集成度，集成功率放大器、驱动器、控制电路等功能于一体。
5. 可靠性和稳定性：由于高功率集成电路通常工作在较高的功率和温度条件下，因此需要具备良好的可靠性和稳定性，以保证长时间的稳定工作。
高功率集成电路的应用领域包括但不限于通信、雷达、医疗设备、激光器驱动、电力电子等领域，它们在这些领域中起着至关重要的作用，推动着技术的不断发展和进步。
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光电集成电路存在的问题
光电集成电路存在的问题光电集成电路（PIC）是一种集成了光学元件和电子元件的新型芯片，具有高速、低能耗等优点，被广泛应用于数据传输、通信等领域。
然而，与其发展相应的是一系列的问题，本文将围绕“光电集成电路存在的问题”进行阐述。
一、设计问题PIC的设计是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，包括波长选择、耦合效率、工艺制造等。
与传统电子芯片相比，PIC的设计需要更高的技术水平和更熟练的设计技能，因此设计问题是PIC存在的主要问题之一。
二、制造问题制造PIC需要多重工艺，其中包括电子器件制造、光学器件制造、芯片制造等，这些工艺的要求各不相同。
如果其中一环出现问题，可能会影响整个PIC的性能。
因此，制造问题是PIC存在的另一个主要问题。
三、测试问题PIC的测试要求极高，需要使用高精度的设备进行测试。
传统的测试方法不适用于PIC，因此需要研发新的测试设备和测试方法。
此外，测试PIC所需的时间和成本也比传统电子芯片更高，这也是PIC存在的问题之一。
四、可靠性问题PIC的可靠性是影响其应用的重要因素。
与传统电子芯片相比，PIC的光学和电学部分都需要工作在高温、高压等恶劣环境下，因此需要对其可靠性进行严格测试。
同时，PIC的寿命也需要得到保障。
五、成本问题PIC的制造成本相对较高，这是制约其应用的主要因素之一。
相比传统电子芯片，PIC在制造和测试方面需要更多的投入，这也导致其单价远高于传统电子芯片。
因此，如何降低PIC的成本是需要解决的问题之一。
综上所述，光电集成电路存在的问题主要包括设计问题、制造问题、测试问题、可靠性问题和成本问题。
为了实现PIC的广泛应用，需要在各个环节上不断进行研究和改善，提高PIC的稳定性、可靠性和性价比。
智能功率集成电路发展概述
微电子技术学科前沿（三）——智能功率集成电路发展技术前沿调研指导老师：罗萍学生：叶庆国学号：2011032030018 SPIC：智能功率集成电路。
随着微电子技术和功率MOS器件的发展，目前又新兴出一个领域：SPIC，Smart Power IC 。
将输出功率集成器件与低压控制的信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片，是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物。
SPIC自问世以来已经有了巨大的进步，汽车电子、平板显示、开关电源，电机驱动，工业控制，电源管理各方面应用广泛。
现就从SPIC（智能功率集成电路）的电路层面的技术实现，新型功率器件，封装技术，应用领域等多方面调研来了解智能集成电路的前沿动态。
1、Spic电路SPIC 将所有的高压器件与低压电路集成在同一芯片上，消除了原来电力电子装置中各模块之间多余的连接[6]。
这样既提高了电路的稳定性，也可以明显降低原来在高频工作时各模块之间引线对电路造成的破坏性影响，甚至可将过温、过流、过压和欠压等保护电路都集成进芯片去增强对功率器件的保护。
因此，不仅显著地提高集成度、降低成本，更可令芯片整体的可靠性获得提升。
SPIC 共分为三个功能模块，分别是功率控制、传感保护和智能接口，如图1-3所示。
其中，功率控制主要包括用作开关的各种功率半导体器件以及它们的驱动电路，在常见的率器件图腾柱式应用中，由于高侧器件的驱动电路与低侧器件的驱动电路分别参考不同的基准电位，驱动电路部分通常还要包含一个高压电平位移电路用以顺利从低侧向高侧传递控制信号。
传感保护模块通过模拟电路采集芯片内各种电压、电流、温度信息并反馈给保护电路，在适当之时对芯片进行有效防护。
另外，电力电子装置除了要与源和负载对接之外，还常常要与外部的计算机对接以实现编码控制。
因此智能接口模块也非常重要，它使得SPIC 外界信息沟通及各种高级指令得以实现。
单片式单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工作稳定等诸多优点，自20世纪90 年代中期问世以来已得到广泛应用。
新型电力电子元器件研究及应用
新型电力电子元器件研究及应用随着电力电子技术的不断发展，电子器件的种类和功能也得到了极大的拓展。
新型电力电子元器件不仅仅包括经典的半导体器件，还涵盖了各种新型器件，如功率集成芯片、SiC器件、GaN器件等。
这些新型器件的出现，让电力电子系统性能得到了显著提升，同时也推动了电力电子领域的技术进步。
1. 功率集成芯片的应用功率集成芯片（PIC）是一种具有高度集成化的、尺寸小、功率密度大的电力电子元器件。
相比传统的电力电子系统，采用PIC可以大幅提升系统的功率密度和效率。
同时，PIC的制造成本也相对较低，便于批量制造和应用。
目前，PIC已经在电机驱动、DC-DC转换、太阳能逆变、LED 驱动等领域得到了广泛应用。
以电机驱动为例，现代电机驱动系统一般由三个模块组成：控制模块、功率模块和传感器模块。
而采用PIC后，三个模块可以通过一个芯片实现，大大减小了系统体积、提高了效率、降低了故障率。
这种集成技术的应用有利于实现小型化、智能化、高效能的电力电子系统。
2. SiC器件的发展SiC（碳化硅）是一种WBG（宽禁带半导体）材料，相比传统的Si（硅）材料，具有更高的导通电流密度、更高的崩溃电场和更高的耐热温度。
因此，基于SiC的电力电子元器件具有更小的尺寸、更低的开关损耗和更高的开关频率。
目前，SiC器件已经广泛应用于电动汽车、高速列车、船舶、飞机等场合。
以电动汽车为例，传统的Si器件无法满足高速充电、快速加速等要求。
而采用SiC器件后，可以实现高达350kW的超级充电功率，保障了快速充电需求。
同时，SiC器件的应用还可以提高电动汽车驱动电机的效率，延长电池寿命，降低系统成本。
3. GaN器件的发展GaN（氮化镓）也是一种WBG材料，与SiC类似，具有更高的导通电流密度、更高的崩溃电场和更高的极限工作温度。
与SiC 不同的是，GaN器件的制造成本更低，适用于低压高频领域。
因此，基于GaN的电力电子元器件成为了高频应用的首选。
功率半导体器件
功率半导体器件“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。
在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。
“power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。
由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。
从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。
它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。
因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。
与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。
实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。
此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。
20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。
功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。
功率集成电路设计与分析
功率集成电路设计与分析功率集成电路（Power Integrated Circuit，简称PIC）是一种集成了功率放大器、电源管理和电源控制等功能的芯片。
它在电子设备中扮演着至关重要的角色。
本文将对功率集成电路的设计与分析进行探讨。
一、引言随着电子设备的迅速发展，对功率集成电路的需求不断增长。
功率集成电路的设计和分析在保证设备性能和效率的同时，还要满足功率管理和节能环保的要求。
二、功率集成电路的设计原理功率集成电路的设计需要综合考虑电源电压、电流、功率损耗和效率等因素。
以下是功率集成电路设计的一般原理：1. 分析需求：根据具体应用领域和设备要求，确定功率集成电路的功能和性能需求。
2. 电源管理：设计合适的电源管理电路，包括电源输入稳压、滤波和保护等功能。
3. 功率放大器设计：选择合适的功率放大器类型（如BTL、SE、Class-D等），设计匹配电路，以提高功率输出和音质。
4. 效率优化：通过降低功率损耗、增强电路效率以及采用节能技术等手段，优化功率集成电路的全面性能。
三、功率集成电路设计的关键技术1. 封装与散热设计：功率集成电路的散热问题是设计中需要重点考虑的因素。
封装和散热设计要兼顾性能和可靠性，以保证电路正常工作。
2. 电源管理技术：理想的电源管理技术应能提供稳定的电源电压、高效的能量转换，以及保护电路免受过电流、过电压等问题的影响。
3. 信号完整性：功率集成电路在工作过程中不可避免会受到噪声和干扰的影响，设计时要采取合适的屏蔽和滤波措施，保证信号的完整性和稳定性。
四、功率集成电路的分析方法1. 性能测试与分析：通过实验和测试，评估功率集成电路的工作性能、效率和负载能力等，以确定是否满足设计要求。
2. 故障诊断与分析：当功率集成电路出现故障时，需要运用电路分析的方法，检测并诊断故障原因，进行修复和维护。
3. 设计验证与仿真：利用计算机仿真软件，对功率集成电路进行验证和测试，以提前发现潜在问题，确保设计的准确性和稳定性。
功率集成电路的发展历程
功率集成电路的发展历程功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）是指将功率晶体管与控制电路集成在一起的集成电路。
它是功率电子技术与微电子技术相结合的产物，可以在小体积、低成本的情况下实现高密度、高可靠性的功率电子系统。
以下是功率集成电路的发展历程：1.早期发展（20世纪60年代至70年代）20世纪60年代末到70年代初，功率集成电路的发展主要集中在线性电源方面，用于放大、稳压和过流保护等应用。
当时的功率集成电路工艺主要以表面微扰工艺为主，主要应用于小功率领域。
2.中期发展（20世纪80年代至90年代）20世纪80年代后期，随着功率半导体器件技术的发展，功率集成电路进入了中期发展阶段。
在这一阶段，功率集成电路的应用领域逐渐扩大，包括电力电子、交通运输、通信、计算机和消费电子等领域。
这一时期的功率集成电路研究主要注重电路设计和系统级集成。
3.现代发展（20世纪90年代至今）20世纪90年代至今，随着微电子技术的进一步发展，尤其是半导体制造工艺的革新和封装技术的进步，功率集成电路进入了现代发展阶段。
这一时期的功率集成电路应用范围更广，包括大功率电源管理、电力变换和交流/直流变换等领域。
在现代发展阶段，功率集成电路的技术和应用有以下几个重要方面：（1）高集成度：通过利用先进的封装技术和集成工艺，实现功率晶体管、驱动电路和保护电路的高度集成，提高功率集成电路的性能和可靠性。
（2）高频特性：利用射频封装技术和高频电路设计，实现功率集成电路在高频率下的工作，提高工作频率和转换效率。
（3）低功耗：通过优化电路设计和工艺工程，减小功率集成电路的功耗，提高能源利用效率。
（4）多功能性：通过集成各种功能模块和接口，实现多种应用要求的功率集成电路，提供灵活的设计平台和简化的系统集成。
（5）可靠性：通过采用可靠的封装技术和高温工艺，提高功率集成电路的耐压、耐热和耐电磁干扰等性能，保证功率集成电路的可靠运行。
电力电子变流技术全本书课后答案
电力电子变流技术全本书课后答案习题与思考题解1-1．晶闸管导通的条件是什么？如何使晶闸管由导通变为关断？解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。
门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。
导通后的晶闸管管压降很小。
使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ下列。
其方法有二：１）减小正向阳极电压至某一最小值下列，或者加反向阳极电压； ２）增加负载回路中的电阻。
1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H =4mA ，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指同意流过晶闸管的额定通态平均电流为100A ，3表示额定电压为300V 。
关于图(a)，假若晶闸管V 被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为()mA IV2105001003=⨯=由于I V < I H ，而I H < I L ，I L 为擎住电流，通常I L =(2~4) I H 。
可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，因此，图(a)不合理。
关于图(b)，电源为交流220V ，当α=0°时，最大输出平均电压9922045.045.02=⨯=≈U Ud（Ｖ）平均电流9.91099===R U d VAR I (A) 波形系数57.1≈=VARVfI I K因此， ＩＶ＝K f 。
ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)而KP100-3同意流过的电流有效值为I VE ＝1.57×100＝157(A)， I L < I V <I VE ，因此，电流指标合理。
但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为31122022≈⨯===U U URm Fm(V)>300(V)因此，图(b)不满足电压指标，不合理。
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PIC开发流程
工艺设计
工艺流程设计 器件结构设计
工艺验证
工艺线预流片 工 艺 调 整
PIC设计
系统需求
工艺仿真文件编写
器件结构描述
工艺参数测试
电路设计
数字 模拟
器件测试验证 工艺仿真 器件仿真
电路 仿真 工艺 库
工艺调整
器件特性分析
结构调整
设计 规则 设定
功率 器件 模型
功率 器件 版图
数字 布局 布线
第一章 集成功率器件与智能化功率IC
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课程主要内容
本课程主要围绕SPIC设计和实现进行 课程教学：
集成功率器件基本物理机理和设计理论 智能功率IC工艺设计和仿真方法 智能功率IC电路设计
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课程教材
采用“功率集成电路技术理论与设计 ”教材。 第一章 绪论 第二章 基本功率器件物理机理 第三章 基本功率集成电路工艺 第四章 功率集成电路工艺和器件模拟 第五章 基本功率集成电路模块 第六章 功率集成电路版图设计 第七章 智能功率集成电路的设计 第八章 高压集成电路的设计
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系统定义 结构设计 IP核选择 IP库 结构模型库
系统生成与 行为级仿真
逐层综合与仿真验证
PSoC的底层实现 结构模型库 系统定义
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PIC面临挑战
新型功率器件的研制，如超结理论衍生的新MOSFET 结构、Trench工艺器件等； 利用新材料研制PIC ，例如碳化硅（SiC）材料具有 的许多优点，已经成为PIC兼容技术中研究的热点； PIC向PSoC方向发展，目前片上功率电子系统的研究 还处于起步阶段； SOI技术是下一代主要的硅集成技术。介质隔离的良 好效应为SOI在PIC中的兼容运用提供了一条绝佳的 途径。如何研制低成本SOI将是今后几年的发展方向。
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第一章 绪论
功率集成电路概念 功率集成电路发展历程 功率集成电路技术特点 功率集成电路开发流程 功率集成电路存在的挑战和机遇
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功率集成电路（PIC）概念
将功率器件、控制电路、信号处理和通
讯接口电路等集成在同一芯片中的特殊集
成电路，简称PIC（Power Integrated
Circuit）。
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功率集成电路分类
按照早期的工艺发展，功率集成电路主要分成两类：
高压功率集成电路，简称HVIC（High Voltage IC） 智能功率集成电路，简称SPIC（Smart Power IC）
随着PIC的不断发展，处理电流能力越来越大，系统集成
度也越来越高，SPIC和HVIC在工作电压、实现功能和实现 器件结构（横向或者纵向）上都难以区分，界限也变得越来 越模糊，现在已习惯于将它们统称为智能功率集成电路 SPIC或者功率集成电路PIC。
VDMOS、双极等纵向器件 PN结隔离 自隔离 介质隔离 NMOS-DMOS兼容工艺
数字电路
隔离技术
集成兼容
CMOS-DMOS兼容工艺 Bipolar-CMOS-DMOS兼容工艺
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解决兼容性问题的若干技术
解 决 兼 容 性 问 题 BCD工艺 RESURF技术图
工艺和器件定形
版图整合及验证
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基于标准模型库PIC设计
为了缩短研发周期，一般将工艺和电路设计分 开。在稳定的BCD工艺基础上建立一系列各种器 件（包括功率器件）模型库、以及低压数字、控制 电路、高压功率器件等IP核，电路设计人员以此为
基础进行系统的PIC设计。
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基于标准模型库PIC设计流程
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PIC技术发展趋势
PIC总的技术发展趋势： 工作频率更高 功率更大 功耗更低 功能更全
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PIC技术的基本电路和器件类型
电路类型
功 率 集 成 电 路 技 术
采用器件
拟解决的技术问题： 模拟电路 功率电路 1、高压和低压之间 Bipolar CMOS 2、数模电路和功率电路之间 偏置栅MOS LDMOS、LIGBT等横向器件 3、器件制造工艺之间
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Toshiba公司不同时期开发PIC芯片
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PIC厂商
目前已有一系列PIC产品应用在各个电子领域中， 包括MOS智能功率开关、半桥或全桥驱动器、电源管 理和显示驱动等电路。 一些著名国际公司在功率集成电路领域处于领先地 位，如： ST Microelectronics Texas Instruments International Rectifier National Semiconductor ON Semiconductor Intersil等
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功率集成电路（PIC）优点
优点： 与分立器件相比，PIC不仅在电路性能、电路稳定性和 功耗方面有很大的优势，而且在降低成本、减小体积和减 轻重量等方面也有着巨大的潜能。 发展趋势： 近几年来，出于电子系统对体积、可靠性、性能和成 本等方面的不断要求，PIC也需要向更快速度、更多功能、 更低成本、更大功率处理和更低功耗等方面发展，特别在 兼容技术、电热效应和功率器件库模型等方面仍面临着很 多挑战。
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PIC例子
发动机控制芯片
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PIC例子
步进电机驱动芯片
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PIC例子
防锁死刹车驱动芯片（ABS）
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PIC应用领域
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PIC发展历程及现状
PIC出现 （70年代） MOSFET、IGBT等新型器件出现 （80年代） 工艺水平提高，成本降低 （90年代） 新型器件和SOI工艺大量运用 （2000年之后）
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PIC发展存在的几点困难
由于需要集成不同结构的功率器件，很多情况下 兼容性的考虑会导致不能充分发挥出功率器件的 性能； 由于采用兼容多种器件的技术，会导致工艺复杂 度或占用芯片面积的增加，从而增加产品的成本 ； 工艺复杂度和芯片面积的增加必然导致产品成品 率的降低，从而间接影响PIC的成本。