DCDC電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)全解

1、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(shí)直接翻到 Datasheet的應(yīng)用 頁面，按照推薦設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)，對于自身的技術(shù)成長并沒有積累到更好的經(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)，IC行業(yè)的同學(xué)隨便看看就好，歡迎指教！LM2675-5.0 的典型應(yīng)用電路打開LM2675 的Datasheet ,首先看看框圖囑,吧，QrU.W-9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

2、的主要功能是實(shí)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(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。卜面咱們一起來分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現(xiàn)的 一、基準(zhǔn)電壓類似于板級電路設(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)部的參考電壓因此被稱為帶隙又被稱為帶隙基準(zhǔn)電壓，因?yàn)檫@個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近, 基準(zhǔn)。這個(gè)值為1.2V左右，如下圖的一種結(jié)構(gòu):12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 P

3、N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-So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= ZVbe/RI ,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= ZVbe/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*

4、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 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等問題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡圖就是這樣，運(yùn)放的設(shè)計(jì)當(dāng)然也非常講究：VW如圖溫度特性仿真:圖370 TT模型下Vz與制度的關(guān)系二、振蕩器OSC和PWM 我們知道

5、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。1.2點(diǎn)A為1 Q3斷開2.點(diǎn)口 M為0 Q3I力合段:點(diǎn)A為0 Q3IQ臺4點(diǎn)時(shí)A為1 Q3I奸開最后詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖是這樣的:ffiT.3 *第電流充值電拆孺秫電箱電50%時(shí)為這里有個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是在電流模式下的斜坡補(bǔ)償，針對的是占空比大于了穩(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)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(jìn)行采樣處理。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動 MOS管的PWM ,如簡圖：Am

6、plifier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(qiáng)圖7.18疆動模塊電路五、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(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?yàn)樯想娝查g有可能所有 晶體管電流為0并維持不變，這樣沒法工作。啟動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自然是打開的，然后S2打開可以打開 M4 Q1等，就打開了 M1M2 ,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 S

7、3,瞬間所有晶體管電流為0。wdd4.2啟動電路2、過壓保護(hù)模塊OVP卜艮好理解，輸入電壓太高時(shí)，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(gè)保護(hù)點(diǎn)。DVdo H3-26過壓保護(hù)電路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(diǎn)來關(guān)斷輸出。溫度升高Vbe卜降中IE 378混度保護(hù)電跋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M

8、OS管的驅(qū)動,BST100 I V ! P -g I i|*R1 -；24kQ ：I r n r i i* v r s i0Q2 VDDV口Q1kFl ai -81- i- E冉；二：BST100-： I* I ( I 4 |i -! R -I4-1 -.11.還有一些其他輔助模塊設(shè)計(jì)六、恒流源和電流鏡在IC內(nèi)部，如何來設(shè)置每一個(gè)晶體管的工作狀態(tài)，就是通過偏置電流，包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(gè)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(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