一顆芯片的內(nèi)部設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)
摘要
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(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。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(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。下面咱們一起來分析各個功能是怎么實現(xiàn)的一
警惕疫情“破防”
類似于板級電路設(shè)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)：
?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!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!這樣我們最后得到基準Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)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(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，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(shè)計當然也非常講究：
?如圖溫度特性仿真：
?二
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。
最后詳細的電路設(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(xué)可詳細學(xué)習(xí)。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：
?四
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。
?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(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、過壓保護模塊OVP很好理解，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(shè)置保護點來關(guān)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(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。六
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。
?
?七
小結(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復(fù)習(xí)了一下。當然，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。最后，學(xué)而時習(xí)之，不亦說乎!
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