【干貨】一文看懂電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)！

寫在前面

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，但有的工程師對芯片的內(nèi)部并不是很了解。不少同學(xué)在應(yīng)用新的芯片時直接翻到Datasheet的應(yīng)用頁面，按照推薦設(shè)計搭建外圍完事。這樣應(yīng)用上并沒有問題，卻忽略了技術(shù)細(xì)節(jié)，不利于自身技術(shù)成長積累經(jīng)驗。

筆者遍查資料，也依舊是一頭霧水，大寫的懵！這時候從各種平臺資料中發(fā)現(xiàn)了這篇電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解，今天就和大家分享學(xué)習(xí)一下！

本文將以一顆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)計原理和結(jié)構(gòu)。

LM2675-5.0的典型應(yīng)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(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。

下面讓我們一起來分析各個功能是怎么實現(xiàn)的。

基準(zhǔn)電壓

類似于板級電路設(shè)計的基準(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。這個基準(zhǔn)電壓要求高、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，因為這個電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱為帶隙基準(zhǔn)。這個值為1.2V左右，如下圖的一種結(jié)構(gòu)：

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(guān)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(dǎo)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(dǎo)出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結(jié)面積之比!

這樣我們得到基準(zhǔn)Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點：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，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(lǐng)域可以實現(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。簡圖就是這樣，運放的設(shè)計當(dāng)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(guān)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。

詳細(xì)的電路設(shè)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(bǔ)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(bǔ)償斜坡。

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。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動MOS管的PWM，如簡圖：

驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的驅(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(qiáng)。

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，卻實實在在的在芯片的設(shè)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(dāng)于“點個火”，然后再關(guān)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(guān)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(hù)模塊OVP

輸入電壓太高時，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)置一個保護(hù)點。

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)點來關(guān)斷輸出。

4、過流保護(hù)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(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(shè)計。

恒流源和電流鏡

在IC內(nèi)部，如何來設(shè)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(zhǔn)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(shè)置需要的電流大小，類似鏡像。

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(dǎo)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(yīng)用。整個芯片設(shè)計也是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求很好的理論知識和實踐經(jīng)驗。

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