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                关于芯片的内部设计原理和结构分析详解

                2021-12-02 08:55:30 113

                摘要

                作为电源研发工程师,当然经常接№触各种芯片。 有些工程师可能对芯片的内部不太熟悉。 许多学生在应用新芯片时直接进入数据集的应用页面,并根据推荐的设计构建外设。 就是这样。 这样,即使应用▲没问题,也忽略了技术细节,也没有为自己的技术成长积累更好的体验。 今天以DC/DC降压电源芯片LM2675为例,详细说明以下芯片的内部设计原理和结构。

                LM2675-5.0的典型应用电路


                打开LM2675的DataSheet,首先看看框图


                这个图包含了电源芯片的内部全部单元模块,BUCK结构我们已经很理解〒了,这个芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动,并通过FB脚检测输出状态来形成环路控制PWM驱动功率MOS管,实现稳压或者恒流输出。这是一个非同步模式电源,即续流↘器件为外部二极管,而不是内部MOS管。

                下面咱们一起来分析各个功能是怎么实现的

                一、基准电压

                类似于板级电路设计的基准电源,芯片内部基准电压为芯片其他电路提供稳定的参考电压。这个基准电压要求高精度、稳定性好、温漂小。芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压,因为这个电压值和硅的带隙电压相近,因此被︻称为带隙基准〇。这个值为1.2V左右,如下图的一种结@ 构:


                这里要回到课本讲公式,PN结的电流和电压公式:


                可以看出是指数关↑系,Is是反▲向饱和漏电流(即PN结因为少子漂移造成的漏电流)。这个电流〓和PN结的面积々成正比!即Is->S。

                如此就可以推导▃出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !

                回到上图,由运☆放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电々压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN结面积之比!

                回到上图,由运放∞分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN结面积之比!

                这样◥我们最后得到基准Vref=I2*R2+Vbe2,关键点:I1是正温度系数的,而Vbe是负温度系数的,再通过N值调节一下,可是实现很好的温度补偿!得到稳定的基准电压。N一般业界按↘照8设计,要想实现零温度系 数,根据公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT,所以大概在1.2V左右的,目前在低压领域可以实现小于1V的基准,而且除了温度系数还有电源纹波抑制PSRR等问题,限于水平没法深入了。最后的简图就是这样,运放的设计当然也非常讲究:


                如图温度特性仿真:


                二、振荡器OSC和PWM

                我们知道开关电★源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管,那么自然需要◇产生振荡的模块,原理很简单,就是ξ利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。

                最后详细的电︼路设计图是这样的:


                这里有个技术难点是在电流模式下的斜坡补偿,针ζ 对的是占空比大于50%时为了稳定斜坡,额外增加了补偿斜坡,我∩也是粗浅了解,有兴趣同学可详细学习。

                三、误→差放大器

                误差放大器的作用是为了保证输出恒流或者恒压,对反馈电压进行采样处理。从而来调节驱动MOS管的PWM,如简图:



                四、驱动电路

                的驱动部分结构很简单,就是很大面积的MOS管,电流能力强。



                五、其他模块∞电路

                这里的其他「模块电路是为了保证芯片能够正常和可靠的工作,虽然不是原理的核心,却实实在在的在芯片的设计中占据重要位置。

                具体说来有几种功能:

                1、启动模块
                启动模块的作用自然是来启动芯片工作的,因为上电瞬▅间有可能所有晶体管电流为0并维持不变,这样Ψ没法工作。启动电路的作用就是相当于“点个火”,然后再关闭╲。如图:

                上电瞬间,S3自然是打开的,然后S2打开可以打开↙M4 Q1等,就打开了M1 M2,右边恒流源电路正常工作,S1也打开了,就把S2给关闭了,完成启动。如果没有S1 S2 S3,瞬间所有晶体管电流为0。


                2、过压保护模块OVP
                很好理解,输入电压太高→时,通过开关管来关断输出,避免损坏,通过比较器可以设置一个保护¤点。


                3、过温保护模块OTP
                温度保护是为了防止』芯片异常高温损坏,原理比较简单,利用晶体管的温度特◣性然后通过比较器设置保护点来关断输□ 出。


                4、过流保护模块OCP
                在譬如输出短路的情况下,通过检测︾输出电流来反馈控制输出管的状态,可以关断或者限流。如图的电流采样,利用晶体管的电流和面积成正比来采样,一般采样管Q2的面积会是输出管面积的千分之一,然后通∞过电压比较器来控制MOS管的驱动。


                还有一些其他辅助模块Ψ 设计。

                六、恒流源和电流镜

                在IC内部,如何来设置每一个晶体管的工作状态,就是通过偏置电流,恒流源电路可以说是所有电路的基石,带隙◆基准也是因此产生的,然后通过电流镜来为每一个△功能模块提供电流,电流镜就是通过晶体管的面积来设置需要的电流↑大小,类似镜像。


                七、小结

                以上大〓概就是DC/DC电源芯片LM2675的整个内部结构,也算是回顾了之前的皮草知识。 当然,这只是原则⌒上的基本结构。 一个特定的设计需要考虑大量的参数特性,大量的分」析和仿真,以及对【半导体工艺参数的深刻理解,因为制造工艺决〖定了晶体管的许多参数和∑ 性能。我有。 有缺陷或完全无法使用。 整◇个芯片设计也是一个比较复杂的系统工程,需要很好的理论知识和实践经验。




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