一文帶你看懂開關電源芯片內(nèi)部結(jié)構
[導讀]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(nèi)部并不是很了解，不少同學在應用新的芯片時直接翻到Datasheet的應用頁面，按照推薦設計搭建外圍完事。如此一來即使應用沒有問題，卻也忽略了更多的技術細節(jié)，對于自身的技術成長并沒有積累到更好的經(jīng)驗。今天以一...
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(nèi)部并不是很了解，不少同學在應用新的芯片時直接翻到 Datasheet 的應用頁面，按照推薦設計搭建外圍完事。如此一來即使應用沒有問題，卻也忽略了更多的技術細節(jié)，對于自身的技術成長并沒有積累到更好的經(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(nèi)部設計原理和結(jié)構，IC 行業(yè)的同學隨便看看就好，歡迎指教!
LM2675-5.0 的典型應用電路
打開 LM2675 的 DataSheet，首先看看框圖
這個圖包含了電源芯片的內(nèi)部全部單元模塊，BUCK 結(jié)構我們已經(jīng)很理解了，這個芯片的主要功能是實現(xiàn)對 MOS 管的驅(qū)動，并通過 FB 腳檢測輸出狀態(tài)來形成環(huán)路控制 PWM 驅(qū)動功率 MOS 管，實現(xiàn)穩(wěn)壓或者恒流輸出。這是一個非同步模式電源，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功能是怎么實現(xiàn)的！
基準電壓
類似于板級電路設計的基準電源，芯片內(nèi)部基準電壓為芯片其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。這個基準電壓要求高精度、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電壓，因為這個電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱為帶隙基準。這個值為 1.2V 左右，如下圖的一種結(jié)構：
這里要回到課本講公式，PN 結(jié)的電流和電壓公式：
可以看出是指數(shù)關系，Is 是反向飽和漏電流(即 PN 結(jié)因為少子漂移造成的漏電流)。這個電流和 PN 結(jié)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(jié)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(jié)面積之比!
這樣我們最后得到基準 Vref=I2*R2 Vbe2，關鍵點：I1 是正溫度系數(shù)的，而 Vbe 是負溫度系數(shù)的，再通過 N 值調(diào)節(jié)一下，可是實現(xiàn)很好的溫度補償!得到穩(wěn)定的基準電壓。N 一般業(yè)界按照 8 設計，要想實現(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 左右的，目前在低壓領域可以實現(xiàn)小于 1V 的基準，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
我們知道開關電源的基本原理是利用 PWM 方波來驅(qū)動功率 MOS 管，那么自然需要產(chǎn)生振蕩的模塊，原理很簡單，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。
最后詳細的電路設計圖是這樣的：
這里有個技術難點是在電流模式下的斜坡補償，針對的是占空比大于 50%時為了穩(wěn)定斜坡，額外增加了補償斜坡，我也是粗淺了解，有興趣同學可詳細學習。
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，對反饋電壓進行采樣處理。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動 MOS 管的 PWM，如簡圖：
驅(qū)動電路
最后的驅(qū)動部分結(jié)構很簡單，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，卻實實在在的在芯片的設計中占據(jù)重要位置。
具體說來有幾種功能：
1、啟動模塊
啟動模塊的作用自然是來啟動芯片工作的，因為上電瞬間有可能所有晶體管電流為 0 并維持不變，這樣沒法工作。啟動電路的作用就是相當于“點個火”，然后再關閉。如圖：
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 給關閉了，完成啟動。如果沒有 S1 S2 S3，瞬間所有晶體管電流為 0。
2、過壓保護模塊 OVP
很好理解，輸入電壓太高時，通過開關管來關斷輸出，避免損壞，通過比較器可以設置一個保護點。
3、過溫保護模塊 OTP
溫度保護是為了防止芯片異常高溫損壞，原理比較簡單，利用晶體管的溫度特性然后通過比較器設置保護點來關斷輸出。
4、過流保護模塊 OCP
在譬如輸出短路的情況下，通過檢測輸出電流來反饋控制輸出管的狀態(tài)，可以關斷或者限流。如圖的電流采樣，利用晶體管的電流和面積成正比來采樣，一般采樣管 Q2 的面積會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。
還有一些其他輔助模塊設計。
恒流源和電流鏡
在 IC 內(nèi)部，如何來設置每一個晶體管的工作狀態(tài)，就是通過偏置電流，恒流源電路可以說是所有電路的基石，帶隙基準也是因此產(chǎn)生的，然后通過電流鏡來為每一個功能模塊提供電流，電流鏡就是通過晶體管的面積來設置需要的電流大小，類似鏡像。
總 結(jié)
以上大概就是一顆 DC/DC 電源芯片 LM2675 的內(nèi)部全部結(jié)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，而且必須要對半導體工藝參數(shù)有很深的理解，因為制造工藝決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用。整個芯片設計也是一個比較復雜的系統(tǒng)工程，要求很好的理論知識和實踐經(jīng)驗。最后，學而時習之，不亦說乎！
作者：李斌，來源：https://bbs.elecfans.com/jishu_2003090_1_1.html版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。
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