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    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?

    發(fā)布時間:2019-06-10 責任編輯:lina

    【導讀】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(shù)細節(jié),對于自身的技術(shù)成長并沒有積累到更好的經(jīng)驗。
     
    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(shù)細節(jié),對于自身的技術(shù)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(gòu),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
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    打開LM2675的DataSheet,首先看看框圖
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    這個圖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
    一、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(gòu):
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    這里要回到課本講公式,PN結(jié)的電流和電壓公式:
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    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:
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    如圖溫度特性仿真:
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    二、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。
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?

    最后詳細的電路設計圖是這樣的:
     
    這里有個技術(shù)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。
     
    三、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:
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    四、驅(qū)動電路
    最后的驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)很簡單,就是很大面積的MOS管,電流能力強。
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    五、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:
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    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。
      
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
    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。
     
    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
    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。
     
    六、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。
     
     電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?

    電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),你了解嗎?
     
     
     
     
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