作為一名電源研發(fā)工程師，自然經(jīng)常與各種芯片打交道，可能有的工程師對芯片的內部并不是很了解，不少同學(xué)在應用新的芯片時(shí)直接翻到Datasheet的應用頁(yè)面，按照推薦設計搭建外圍完事。如此一來(lái)即使應用沒(méi)有問(wèn)題，卻也忽略了更多的技術(shù)細節，對于自身的技術(shù)成長(cháng)并沒(méi)有積累到更好的經(jīng)驗。今天以一顆DC/DC降壓電源芯片LM2675為例，盡量詳細講解下一顆芯片的內部設計原理和結構，IC行業(yè)的同學(xué)隨便看看就好，歡迎指教!
LM2675-5.0的典型應用電路
打開(kāi)LM2675的DataSheet，首先看看框圖
這個(gè)圖包含了電源芯片的內部全部單元模塊，BUCK結構我們已經(jīng)很理解了，這個(gè)芯片的主要功能是實(shí)現對MOS管的驅動(dòng)，并通過(guò)FB腳檢測輸出狀態(tài)來(lái)形成環(huán)路控制PWM驅動(dòng)功率MOS管，實(shí)現穩壓或者恒流輸出。這是一個(gè)非同步模式電源，即續流器件為外部二極管，而不是內部MOS管。
下面咱們一起來(lái)分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現的
基準電壓
類(lèi)似于板級電路設計的基準電源，芯片內部基準電壓為芯片其他電路提供穩定的參考電壓。這個(gè)基準電壓要求高精度、穩定性好、溫漂小。芯片內部的參考電壓又被稱(chēng)為帶隙基準電壓，因為這個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱(chēng)為帶隙基準。這個(gè)值為1.2V左右，如下圖的一種結構：
這里要回到課本講公式，PN結的電流和電壓公式：
可以看出是指數關(guān)系，Is是反向飽和漏電流(即PN結因為少子漂移造成的漏電流)。這個(gè)電流和PN結的面積成正比!即Is->S。
如此就可以推導出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !
回到上圖，由運放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因為M3和M4的柵極電壓相同，因此電流I1=I2，所以推導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結面積之比!
回到上圖，由運放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因為M3和M4的柵極電壓相同，因此電流I1=I2，所以推導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結面積之比!
這樣我們最后得到基準Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點(diǎn)：I1是正溫度系數的，而Vbe是負溫度系數的，再通過(guò)N值調節一下，可是實(shí)現很好的溫度補償!得到穩定的基準電壓。N一般業(yè)界按照8設計，要想實(shí)現零溫度系數，根據公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以大概在1.2V左右的，目前在低壓領(lǐng)域可以實(shí)現小于1V的基準，而且除了溫度系數還有電源紋波抑制PSRR等問(wèn)題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡(jiǎn)圖就是這樣，運放的設計當然也非常講究：
如圖溫度特性仿真：
振蕩器OSC和PWM
我們知道開(kāi)關(guān)電源的基本原理是利用PWM方波來(lái)驅動(dòng)功率MOS管，那么自然需要產(chǎn)生振蕩的模塊，原理很簡(jiǎn)單，就是利用電容的充放電形成鋸齒波和比較器來(lái)生成占空比可調的方波。
最后詳細的電路設計圖是這樣的：
這里有個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是在電流模式下的斜坡補償，針對的是占空比大于50%時(shí)為了穩定斜坡，額外增加了補償斜坡，我也是粗淺了解，有興趣同學(xué)可詳細學(xué)習。
誤差放大器
誤差放大器的作用是為了保證輸出恒流或者恒壓，對反饋電壓進(jìn)行采樣處理。從而來(lái)調節驅動(dòng)MOS管的PWM，如簡(jiǎn)圖：
驅動(dòng)電路
最后的驅動(dòng)部分結構很簡(jiǎn)單，就是很大面積的MOS管，電流能力強。
其他模塊電路
這里的其他模塊電路是為了保證芯片能夠正常和可靠的工作，雖然不是原理的核心，卻實(shí)實(shí)在在的在芯片的設計中占據重要位置。
具體說(shuō)來(lái)有幾種功能：
1、啟動(dòng)模塊
啟動(dòng)模塊的作用自然是來(lái)啟動(dòng)芯片工作的，因為上電瞬間有可能所有晶體管電流為0并維持不變，這樣沒(méi)法工作。啟動(dòng)電路的作用就是相當于“點(diǎn)個(gè)火”，然后再關(guān)閉。如圖：
上電瞬間，S3自然是打開(kāi)的，然后S2打開(kāi)可以打開(kāi)M4 Q1等，就打開(kāi)了M1 M2，右邊恒流源電路正常工作，S1也打開(kāi)了，就把S2給關(guān)閉了，完成啟動(dòng)。如果沒(méi)有S1 S2 S3，瞬間所有晶體管電流為0。
2、過(guò)壓保護模塊OVP
很好理解，輸入電壓太高時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)管來(lái)關(guān)斷輸出，避免損壞，通過(guò)比較器可以設置一個(gè)保護點(diǎn)。
3、過(guò)溫保護模塊OTP
溫度保護是為了防止芯片異常高溫損壞，原理比較簡(jiǎn)單，利用晶體管的溫度特性然后通過(guò)比較器設置保護點(diǎn)來(lái)關(guān)斷輸出。
4、過(guò)流保護模塊OCP
在譬如輸出短路的情況下，通過(guò)檢測輸出電流來(lái)反饋控制輸出管的狀態(tài)，可以關(guān)斷或者限流。如圖的電流采樣，利用晶體管的電流和面積成正比來(lái)采樣，一般采樣管Q2的面積會(huì )是輸出管面積的千分之一，然后通過(guò)電壓比較器來(lái)控制MOS管的驅動(dòng)。
還有一些其他輔助模塊設計。
恒流源和電流鏡
在IC內部，如何來(lái)設置每一個(gè)晶體管的工作狀態(tài)，就是通過(guò)偏置電流，恒流源電路可以說(shuō)是所有電路的基石，帶隙基準也是因此產(chǎn)生的，然后通過(guò)電流鏡來(lái)為每一個(gè)功能模塊提供電流，電流鏡就是通過(guò)晶體管的面積來(lái)設置需要的電流大小，類(lèi)似鏡像。
小結
以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內部全部結構，也算是把以前的皮毛知識復習了一下。當然，這只是原理上的基本架構，具體設計時(shí)還要考慮非常多的參數特性，需要作大量的分析和仿真，而且必須要對半導體工藝參數有很深的理解，因為制造工藝決定了晶體管的很多參數和性能，一不小心出來(lái)的芯片就有缺陷甚至根本沒(méi)法應用。整個(gè)芯片設計也是一個(gè)比較復雜的系統工程，要求很好的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗。最后，學(xué)而時(shí)習之，不亦說(shuō)乎! |
