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,，不少同學在應用新的芯片時直接翻到Datasheet的應用頁面，按照推薦設計搭建外圍完事,。如此一來即使應用沒有問題,，卻也忽略了更多的技術細節(jié)，對于自身的技術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)部設計原理和結構，IC行業(yè)的同學隨便看看就好,，歡迎指教,！

LM2675-5.0的典型應用電路

打開LM2675的DataSheet，首先看看框圖,。

LM2675的框圖

上圖圖包含了電源芯片的內(nèi)部全部單元模塊,。BUCK結構我們已經(jīng)很理解了，這個芯片的主要功能是實現(xiàn)對MOS管的驅動,，并通過FB腳檢測輸出狀態(tài)來形成環(huán)路控制PWM驅動功率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,。

基準電壓

類似于板級電路設計的基準電源,，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，如圖1的一種結構：

圖1

這里要回到課本講公式,，PN結的電流和電壓公式：

可以看出是指數(shù)關系,，Is是反向飽和漏電流（即PN結因為少子漂移造成的漏電流）。這個電流和PN結的面積成正比,！即Is->S,。

如此就可以推導出：

Vbe=VT*ln(Ic/Is)

回到圖1，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,，所以推導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1)。N是Q1,、Q2的PN結面積之比,。

這樣我們后得到基準Vref=I2*R2+Vbe2,。關鍵點：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,。

后的簡圖如圖2,，運放的設計當然也非常講究：

圖2

溫度特性仿真，如圖3,。

圖3

振蕩器OSC和PWM

我們知道開關電源的基本原理是利用PWM方波來驅動功率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。

圖4

后詳細的電路設計圖,，如圖5,。

圖5

這里有個技術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,，有興趣同學可詳細學習。

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)驅動MOS管的PWM，如圖6,。

圖6

驅動電路

后的驅動部分結構很簡單,，就是很大面積的MOS管，電流能力強,，如圖7,。

圖7

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計中占據(jù)重要位置,。

01

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”，然后再關閉,。

如圖8：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給關閉了,，完成啟動。如果沒有S1 S2 S3,，瞬間所有晶體管電流為0,。

圖8

02

過壓保護模塊OVP

很好理解，輸入電壓太高時,，通過開關管來關斷輸出,，避免損壞，通過比較器可以設置一個保護點,。

圖9

03

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置保護點來關斷輸出,。

圖10

04

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)，可以關斷或者限流。如圖11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管的驅動,。

圖11

還有一些其他輔助模塊設計,。

恒流源和電流鏡

在IC內(nèi)部，如何來設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置需要的電流大小，類似鏡像,。

圖12

圖13

結 語

以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內(nèi)部全部結構,，也算是把以前的皮毛知識復習了一下。

當然,，這只是原理上的基本架構,，具體設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用,。

整個芯片設計也是一個比較復雜的系統(tǒng)工程，要求很好的理論知識和實踐經(jīng)驗,。后,，學而時習之，不亦說乎,！

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