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[導(dǎo)讀]本文以一顆DC/DC降壓電源芯片LM2675為例,詳細(xì)講解了這顆芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu),IC行業(yè)的同學(xué)隨便看看就好,歡迎指教。

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(duì)芯片的內(nèi)部并不是很了解,不少同學(xué)在應(yīng)用新的芯片時(shí)直接翻到Datasheet的應(yīng)用頁(yè)面,按照推薦設(shè)計(jì)搭建外圍完事。如此一來即使應(yīng)用沒有問題,卻也忽略了更多的技術(shù)細(xì)節(jié),對(duì)于自身的技術(shù)成長(zhǎng)并沒有積累到更好的經(jīng)驗(yàn)。


今天以一顆DC/DC降壓電源芯片LM2675為例,盡量詳細(xì)講解下一顆芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu),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(yīng)用電路:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖1


打開LM2675的DataSheet,首先看看框圖:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖2


圖2包含了電源芯片的內(nèi)部全部單元模塊。BUCK結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)很理解了,這個(gè)芯片的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng),并通過FB腳檢測(cè)輸出狀態(tài)來形成環(huán)路控制PWM驅(qū)動(dòng)功率MOS管,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或者恒流輸出。這是一個(gè)非同步模式電源,即續(xù)流器件為外部二極管,而不是內(nèi)部MOS管。


下面咱們一起來分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現(xiàn)的。


基準(zhǔn)電壓


類似于板級(jí)電路設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電源,芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為芯片其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。這個(gè)基準(zhǔn)電壓要求高精度、穩(wěn)定性好、溫漂小。芯片內(nèi)部的參考電壓又被稱為帶隙基準(zhǔn)電壓,因?yàn)檫@個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近,因此被稱為帶隙基準(zhǔn)。這個(gè)值為1.2V左右,如圖3的一種結(jié)構(gòu):


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖3


這里要回到課本講公式,PN結(jié)的電流和電壓公式:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!


可以看出是指數(shù)關(guān)系,Is是反向飽和漏電流(即PN結(jié)因?yàn)樯僮悠圃斐傻穆╇娏?。這個(gè)電流和PN結(jié)的面積成正比,即Is->S。


如此就可以推導(dǎo)出:

Vbe=VT*ln(Ic/Is)?


回到圖3,由運(yùn)放分析VX=VY,那么就是:

I1*R1+Vbe1=Vbe2


這樣可得:

I1=△Vbe/R1


而因?yàn)镸3和M4的柵極電壓相同,因此電流I1=I2,所以推導(dǎo)出公式:

I1=I2=VT*ln(N/R1)


N是Q1、Q2的PN結(jié)面積之比。


這樣我們最后得到基準(zhǔn):

Vref=I2*R2+Vbe2


I1是正溫度系數(shù)的,而Vbe是負(fù)溫度系數(shù)的,再通過N值調(diào)節(jié)一下,可實(shí)現(xiàn)很好的溫度補(bǔ)償,得到穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。


N一般業(yè)界按照"8"設(shè)計(jì),要想實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù),根據(jù)公式推算出:

Vref=Vbe2+17.2*VT


所以大概在1.2V左右。目前在低壓領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)小于1V的基準(zhǔn),而且除了溫度系數(shù)還有電源紋波抑制PSRR等問題,限于水平?jīng)]法深入了。


最后的簡(jiǎn)圖見圖4,運(yùn)放的設(shè)計(jì)當(dāng)然也非常講究。


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖4


圖5溫度特性仿真。


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖5


振蕩器OSC和PWM


我們知道開關(guān)電源的基本原理是利用PWM方波來驅(qū)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生成占空比可調(diào)的方波。


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖6


詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖見圖7:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖7


這里有個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是在電流模式下的斜坡補(bǔ)償,針對(duì)的是占空比大于50%時(shí)為了穩(wěn)定斜坡,額外增加了補(bǔ)償斜坡。筆者也是粗淺了解,有興趣同學(xué)可詳細(xì)學(xué)習(xí)。


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(duì)反饋電壓進(jìn)行采樣處理。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)MOS管的PWM,如圖8:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖8


驅(qū)動(dòng)電路


最后的驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,就是很大面積的MOS管,電流能力強(qiáng)。


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圖9


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(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。


具體說來有幾種功能:


1)啟動(dòng)模塊


啟動(dòng)模塊的作用自然是來啟動(dòng)芯片工作的,因?yàn)樯想娝查g有可能所有晶體管電流為0并維持不變,這樣沒法工作。啟動(dòng)電路的作用就是相當(dāng)于“點(diǎn)個(gè)火”,然后再關(guān)閉。如圖10:


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖10


上電瞬間,S3自然是打開的,然后S2打開可以打開M4、Q1等,就打開了M1、M2,右邊恒流源電路正常工作,S1也打開了,就把S2給關(guān)閉了,完成啟動(dòng)。如果沒有S1、S2、S3,瞬間所有晶體管電流為0。


2)過壓保護(hù)模塊OVP


很好理解,輸入電壓太高時(shí),通過開關(guān)管來關(guān)斷輸出,避免損壞,通過比較器可以設(shè)置一個(gè)保護(hù)點(diǎn)。(圖11)


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖11


3)過溫保護(hù)模塊OTP


溫度保護(hù)是為了防止芯片異常高溫?fù)p壞,原理比較簡(jiǎn)單,利用晶體管的溫度特性然后通過比較器設(shè)置保護(hù)點(diǎn)來關(guān)斷輸出。(圖12)


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖12


4)過流保護(hù)模塊OCP


在譬如輸出短路的情況下,通過檢測(cè)輸出電流來反饋控制輸出管的狀態(tài),可以關(guān)斷或者限流。如圖13的電流采樣,利用晶體管的電流和面積成正比來采樣,一般采樣管Q2的面積會(huì)是輸出管面積的千分之一,然后通過電壓比較器來控制MOS管的驅(qū)動(dòng)。


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖13


還有一些其他輔助模塊設(shè)計(jì)。


恒流源和電流鏡


在IC內(nèi)部,如何來設(shè)置每一個(gè)晶體管的工作狀態(tài)?


答案是通過偏置電流。


恒流源電路可以說是所有電路的基石,帶隙基準(zhǔn)也是因此產(chǎn)生的,然后通過電流鏡來為每一個(gè)功能模塊提供電流,電流鏡就是通過晶體管的面積來設(shè)置需要的電流大小,類似鏡像。


開關(guān)電源IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?一文剖析!

圖14


結(jié) 語


以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內(nèi)部全部結(jié)構(gòu),也算是把以前的皮毛知識(shí)復(fù)習(xí)了一下。


當(dāng)然,這只是原理上的基本架構(gòu),具體設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮非常多的參數(shù)特性,需要作大量的分析和仿真,而且必須要對(duì)半導(dǎo)體工藝參數(shù)有很深的理解,因?yàn)橹圃旃に嚊Q定了晶體管的很多參數(shù)和性能,一不小心出來的芯片就有缺陷甚至根本沒法應(yīng)用。整個(gè)芯片設(shè)計(jì)也是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程,要求很好的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。


最后,學(xué)而時(shí)習(xí)之,不亦說乎!


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