DC/DC電源芯片LM2675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解

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(lái)即使應(yīng)用沒(méi)有問(wèn)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(méi)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)。

LM2675-5.0 的典型應(yīng)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(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(guò) FB 腳檢測(cè)輸出狀態(tài)來(lái)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(lái)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?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) !

回到上圖，由運(yùn)放分析 VX=VY，那么就是 I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因?yàn)?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!

回到上圖，由運(yùn)放分析 VX=VY，那么就是 I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因?yàn)?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!

這樣我們最后得到基準(zhǔn) Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點(diǎn)：I1 是正溫度系數(shù)的，而 Vbe 是負(fù)溫度系數(shù)的，再通過(guò) N 值調(diào)節(jié)一下，可是實(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 左右的，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(wèn)題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡(jiǎn)圖就是這樣，運(yùn)放的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源的基本原理是利用 PWM 方波來(lái)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(lái)生成占空比可調(diào)的方波。

最后詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)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(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，我也是粗淺了解，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(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng) MOS 管的 PWM，如簡(jiǎn)圖：

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)。

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(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?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(méi)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：

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(hù)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(shè)置一個(gè)保護(hù)點(diǎn)。

3、過(guò)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(guò)比較器設(shè)置保護(hù)點(diǎn)來(lái)關(guān)斷輸出。

4、過(guò)流保護(hù)模塊 OCP

在譬如輸出短路的情況下，通過(guò)檢測(cè)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(qū)動(dòng)。

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(lái)設(shè)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(zhǔn)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(shè)置需要的電流大小，類似鏡像。

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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(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(lái)的芯片就有缺陷甚至根本沒(méi)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)。