工程師必看開關(guān)電源芯片內(nèi)部電路解析

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)，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：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、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)：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(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。最后的簡圖就是這樣，運放的設(shè)計當(dāng)然也非常講究：如圖溫度特性仿真：二、震蕩器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、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。五、其它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(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M4Q1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S1S2S3，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。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(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。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)。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)