VDMOS器件、控制电路、电池管理芯片及电设备制造技术

本公开提供了一种VDMOS器件，用于控制电池的充电电流与放电电流，包括：衬底，为第一导电类型；外延层，设置在衬底上并且为第一导电类型；第一元胞结构区，包括形成在外延层中的元胞结构，以构成用作充电开关的充电MOSFET；第二元胞结构区，包括形成在外延层中的元胞结构，以构成用作放电开关的放电MOSFET；以及第三元胞结构区，包括形成在外延层中的元胞结构，以构成采样MOSFET，采样MOSFET用于采集流过充电MOSFET和放电MOSFET的电流。本公开还提供了一种控制电路、电池管理芯片及电设备。

【技术实现步骤摘要】
VDMOS器件、控制电路、电池管理芯片及电设备
本公开涉及一种VDMOS器件、控制电路、电池管理芯片及电设备。
技术介绍
在对锂电池等电池的充放电进行控制时，为了安全和电池寿命等，需要对电池的充放电电流进行测量。通常需要外接电阻来对充电电流和放电电流进行检测。现有技术中，采用外接检测电阻来对充电电流和放电电流进行检测时(例如检测电阻与充放电开关串联在电流回路中)，检测电阻需要串联在电流回路中，这样在充放电电流比较大的情况下，检测电阻的功耗很大。另外也可以通过充放电开关的导通阻抗来对电流进行检测，但是该导通阻抗必须足够大，以便能够采集到足够大的检测电压，从而来进行检测。如果导通阻抗比较大，则充放电开关所产生的功耗必然也很大。此外，在过滤保护方面，图19给出了现有技术中的用于锂电池保护的过流保护电路。电池正常放电时，保护开关驱动电路的输出OD和OC端口的电压通常为VDD、5V或15V左右，OD和OC分别连接到MOSFETM1和M2的栅极(G)，此时M1和M2工作在线性区，M1和M2的漏极(D)和源极(S)等效为一个导通电阻，电阻值为RON。放电电流Idsg从P-端流向B-端，P-端的电压较高，当检测到P-端与B-端的压差(Idsg*RON)达到某一限定值时，OD电压从VDD变为B-，OC仍保持VDD电位，这样放电开关M1断开。类似地，电池正常充电时，M1、M2的栅极(G)为电池电压VDD。电流从B-端流向P-端，P-端的电压较低，当B-端与P-端的压差(Ichg*RON)达到某一限定值，OC电压从VDD变为B-，OD保持VDD电位，这样充电开关M2断开。但是，MOSFETM1和M2的导通电阻和电池温度、电池电压相关。如果只通过检测B-端与P-端之间的压差来判断是否过流，误差将会达到±30％以上。另外，在现有技术中，也存在检测MOSFETM1和M2的漏源电压VDS来采样充放电电流的方案。根据MOSFET的导通电阻采样充放电电流的基本原理如图20所示(以NMOS为例进行说明，对于PMOS，原理相同，在此不再赘述)。Ig为从VCC电压流向NMOS栅极(G)的电流，因为NMOS的栅极是高阻态，电流短路，因此Ig全部流向Rg，那么VGS＝Ig*Rg。当Ig*Rg＝0或者＜VTH(NMOS开启阈值电压)，NMOS关断，因为高阻态因此为未开启的状态。当Ig*Rg＞VTH(NMOS开启阈值电压)，NMOS管开启，开始导通电流。当Ig*Rg＞VDS(NMOS源漏电压差值)，Ig*Rg＞VTH，NMOS工作在深线性区，NMOS相当于压控电阻。导通电阻与VGS的关系为：Ron＝1/[μn*Cox*W*(VGS-VTH)/L]，其中，μn为电荷载流子的迁移率，Cox为栅极单位电容，VTH为NMOS开启阈值电压，VGS为栅源电压，W为NMOS的沟道几何宽度，L为NMOS的沟道几何长度。那么，当有电流Ids流过MOSFET开关时，漏极(D)和源极(S)的电压差VDS＝Ids*Ron＝Ids/[μn*Cox*(W/L)*(VGS-VTH)]。从上式可以看出，通过检测MOSFET开关的源漏电压差值VDS，进行采样充/放电电流。但是，如果直接利用充电/放电MOSFET开关的导通电阻采样充/放电的电流的问题如下：1.无法事先准确知道分立MOSFET开关的电子迁移率μn，宽长比W/L，阈值开启电压VTH，栅极单位电容Cox，所以，即使准确测量出源漏电压差值VDS,也无法准确得到充放电的电流大小，因为Ids＝VDS*μn*Cox*(W/L)*(VGS-VTH)。以上参数，通常都是分立MOSFET厂商的工艺及设计参数，一般不对外公布。2.电子迁移率μn，阈值开启电压VTH，栅极单位电容Cox随温度发生变化，所以MOSFET开关的电阻随温度发生变化，也就是说，同一个MOSFET开关的导通电阻在不同温度点，导通电阻不同。也就是说，在不同的温度点，同样源漏电压差值VDS对应不同的充放电的电流大小，因为MOSFET开关的电阻随温度发生了变化。所以，无法事先通过测量在一个温度点的MOSFET的电阻，获得所有不同温度点的充放电的电流大小。3.同一或者不同批次的同一类型的分立MOSFET开关的电子迁移率μn，阈值开启电压VTH，栅极单位电容Cox都具有差异性，该差异性通常为高斯分布，这是由于制造工艺偏差导致的。也就是说，同一或者不同批次的同一类型的分立MOSFET开关的导通电阻都有可能不同。所以，无法事先测量一个MOSFET的电阻而得到一个批次的同一或者不同批次的同一类型的分立MOSFET开关的导通电阻。鉴于现有技术中存在的问题，因此如何高精度地对电池的充放电电流进行检测为所要解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种VDMOS器件、控制电路、电池管理芯片及电设备。根据本公开的一个方面，一种VDMOS器件，所述VDMOS用于控制电池的充电电流与放电电流，包括：衬底，所述衬底为第一导电类型；外延层，所述外延层设置在所述衬底上并且为第一导电类型；第一元胞结构区，所述第一元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作充电开关的充电MOSFET；第二元胞结构区，所述第二元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作放电开关的放电MOSFET；以及第三元胞结构区，所述第三元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成采样MOSFET，所述采样MOSFET用于采集流过所述充电MOSFET和所述放电MOSFET的电流。根据本公开的至少一个实施方式，第三元胞结构区中元胞结构的数量、与所述第一元胞结构区和第二元胞区结构中的元胞结构的数量的比例为1：K，其中K≥2。根据本公开的至少一个实施方式，所述充电MOSFET及放电MOSFET被构造成二者的漏极相连。根据本公开的至少一个实施方式，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为一个，并且所述采样MOSFET的源极构造成与所述充电MOSFET的源极或与所述放电MOSFET的源极相连，所述采样MOSFET的漏极构造成充电电流或放电电流的采样端。根据本公开的至少一个实施方式，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为两个，并且一个采样MOSFET与另一采样MOSFET的漏极相连，并且两个采样MOSFET中的所述一个采样MOSFET的源极构造成与所述充电MOSFET的源极或与所述放电MOSFET的源极相连，所述另一采样MOSFET的源极构造成充电电流或放电电流的采样端。根据本公开的至少一个实施方式，还包括阱电阻结构来构成阱电阻，所述阱电阻的一端构造成与所述另一采样MOSFET的源极相连，并且所述阱电阻的另一端构造成与所述放电MOSFET的源极或与所述充电MOSFET的源极相连，所述阱电阻的一端构造成放电电流或充电电流的采样端。根据本公开的至少一个实施方式，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为四个，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种VDMOS器件，所述VDMOS用于控制电池的充电电流与放电电流，其特征在于，包括：/n衬底，所述衬底为第一导电类型；/n外延层，所述外延层设置在所述衬底上并且为第一导电类型；/n第一元胞结构区，所述第一元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作充电开关的充电MOSFET；/n第二元胞结构区，所述第二元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作放电开关的放电MOSFET；以及/n第三元胞结构区，所述第三元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成采样MOSFET，所述采样MOSFET用于采集流过所述充电MOSFET和所述放电MOSFET的电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种VDMOS器件，所述VDMOS用于控制电池的充电电流与放电电流，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为第一导电类型；
外延层，所述外延层设置在所述衬底上并且为第一导电类型；
第一元胞结构区，所述第一元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作充电开关的充电MOSFET；
第二元胞结构区，所述第二元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成用作放电开关的放电MOSFET；以及
第三元胞结构区，所述第三元胞结构区包括形成在所述外延层中的元胞结构，以构成采样MOSFET，所述采样MOSFET用于采集流过所述充电MOSFET和所述放电MOSFET的电流。


2.如权利要求1所述的VDMOS器件，其特征在于，第三元胞结构区中元胞结构的数量、与所述第一元胞结构区和第二元胞区结构中的元胞结构的数量的比例为1：K，其中K≥2。


3.如权利要求2所述的VDMOS器件，其特征在于，所述充电MOSFET及放电MOSFET被构造成二者的漏极相连。


4.如权利要求2所述的VDMOS器件，其特征在于，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为一个，并且所述采样MOSFET的源极构造成与所述充电MOSFET的源极或与所述放电MOSFET的源极相连，所述采样MOSFET的漏极构造成充电电流或放电电流的采样端。


5.如权利要求2所述的VDMOS器件，其特征在于，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为两个，并且一个采样MOSFET与另一采样MOSFET的漏极相连，并且两个采样MOSFET中的所述一个采样MOSFET的源极构造成与所述充电MOSFET的源极或与所述放电MOSFET的源极相连，所述另一采样MOSFET的源极构造成充电电流或放电电流的采样端。


6.如权利要求5所述的VDMOS器件，其特征在于，还包括阱电阻结构来构成阱电阻，所述阱电阻的一端构造成与所述另一采样MOSFET的源极相连，并且所述阱电阻的另一端构造成与所述放电MOSFET的源极或与所述充电MOSFET的源极相连，所述阱电阻的一端构造成放电电流或充电电流的采样端。


7.如权利要求2所述的VDMOS器件，其特征在于，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为四个，其中
四个采样MOSFET中的两个采样MOSFET中，一个采样MOSFET与另一采样MOSFET的漏极相连，该一个采样MOSFET的源极构造成与所述充电MOSFET的源极相连，该另一个采样MOSFET的源极构造成充电电流采样端；以及
四个采样MOSFET中的其他两个采样MOSFET中，一个采样MOSFET与另一采样MOSFET的漏极相连，该一个采样MOSFET的源极构造成与所述放电MOSFET的源极相连，该另一个采样MOSFET的源极构造成放电电流采样端。


8.如权利要求2所述的VDMOS器件，其特征在于，还包括两个阱电阻结构来形成两个阱电阻，所述第三元胞结构区及所述采样MOSFET的数量为两个，并且一个采样MOSFET与另一采样MOSFET的漏极相连，所述一个采样MOSFET的源极构成与一个阱电阻的一端连接，而该一个阱电阻的另一端构造成与充电MOSFET的源极连接，另一阱电阻的一端构造成与所述另一采样MOSFET的源极连接，而所该另一阱电阻的另一端构造成与所述放电MOSFET的源极连接，该一个阱电阻的一端为充电电流采样端，该另一阱电阻的一端为放电电流采样端。


9.如权利要求1至8中任一项所述的VDMOS器件，其特征在于，每个元胞结构包括：
两个沟槽，所述两个沟槽中均设置有栅氧化层、多晶硅及位于多晶硅之上的介质层；
第一阱区，所述第一阱区为第二导电类型，并且位于所述两个沟槽之间且位于所述外延层之上；以及
重掺杂区，所述重掺杂区位于所述第一阱区之上并且位于所述两个沟槽之间，所述重掺杂区为第一导电类型。


10.如权利要求1至8中任一项所述的VDMOS器件，其特征在于，每个元胞结构包括：
两个沟槽，所述两个沟槽中均设置有栅氧化层、控制栅极、屏蔽栅极、第一介质层和第二介质层，所述控制栅极位于所述屏蔽栅极之上并且由第一介质层隔开，所述第二介质层位于控制栅极之上；
第一阱区，所述第一阱区为第二导电类型，并且位于所述两个沟槽之间且位于所述外延层之上；以及
重掺杂区，所述重掺杂区位于所述第一阱区之上并且位于所述两个沟槽之间，所述重掺杂区为第一导电类型。


11.一种充放电控制电路，其特征在于，所述控制电路包括如权利要求1至10中任一项所述的VDMOS器件，通过第一连接端和第二连接端为所述电池进行充电和放电，通过控制所述充电MOSFET和放电MOSFET构成的充放电开关来控制所述充电和放电，所述充电MOSFET和放电MOSFET串联在所述电池与所述第一连接端之间的或者所述电池与第二连接端之间的电流路径上，其中所述VDMOS器件中的采样MOSFET和/或阱电阻构成所述控制电路的检测单元，所述控制电路还包括：
比较单元，所述比较单元的第一输入端连接与所述检测单元的第一端的电压相关的电压，所述比较单元的第二输入端连接与所述充放电开关的第一端的电压相关的电压，所述检测单元的第二端与所述充放电开关的第二端连接；以及
控制逻辑单元，所述控制逻辑单元根据所...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔明，陈勇，张发备，周号，
申请(专利权)人：珠海迈巨微电子有限责任公司，
类型：新型
国别省市：广东;44