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一顆芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

思睿達(dá)工業(yè)通信芯方案 ? 2021-12-01 10:36 ? 次閱讀
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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(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b3f45880-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.png?打開(kāi)LM2675的DataSheet,首先看看框圖b41b19e8-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?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

警惕疫情“破防”

類(lèi)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(chēng)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(chēng)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):b4441212-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?這里要回到課本講公式,PN結(jié)的電流和電壓公式:b4671d98-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.png?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)镸3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)镸3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:b49ae466-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?如圖溫度特性仿真b4c10efc-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?

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。b4f9a87a-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg最后詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖是這樣的:b5282808-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?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:b5568df6-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?

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)。b57c80e2-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?

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。b5a83de0-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?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)。b5e2f0b6-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.png?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。b61ca194-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?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)。b642a07e-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.png?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(lèi)似鏡像。
b6624ae6-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?b68c0e30-51d5-11ec-a27f-dac502259ad0.jpg?

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(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)。最后,學(xué)而時(shí)習(xí)之,不亦說(shuō)乎!
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