關于芯片的內(nèi)部設計原理和結構分析詳解

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2022-03-18 02:44:13 15

摘要

作為電源研發(fā)工程師，當然經(jīng)常接觸各種芯片。有些工程師可能對芯片的內(nèi)部不太熟悉。許多學生在應用新芯片時直接進入數(shù)據(jù)集的應用頁面，并根據(jù)推薦的設計構建外設。就是這樣。這樣，即使應用沒問題，也忽略了技術細節(jié)，也沒有為自己的技術成長積累更好的體驗。今天以DC/DC降壓電源芯片LM2675為例，詳細說明以下芯片的內(nèi)部設計原理和結構。
LM2675-5.0的典型應用電路
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打開LM2675的DataSheet，首先看看框圖
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這個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
一、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，如下圖的一種結構：

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這里要回到課本講公式，PN結的電流和電壓公式：
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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) !
回到上圖，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!
回到上圖，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!
這樣我們最后得到基準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。最后的簡圖就是這樣，運放的設計當然也非常講究：
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如圖溫度特性仿真：

二、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。

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最后詳細的電路設計圖是這樣的：

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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。
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)驅動MOS管的PWM，如簡圖：

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四、驅動電路
最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。

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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，卻實實在在的在芯片的設計中占據(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于“點個火”，然后再關閉。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。
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2、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。
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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置保護點來關斷輸出。
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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管的驅動。
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還有一些其他輔助模塊設計。
六、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。

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七、小結

以上大概就是DC/DC電源芯片LM2675的整個內(nèi)部結構，也算是回顧了之前的皮草知識。當然，這只是原則上的基本結構。一個特定的設計需要考慮大量的參數(shù)特性，大量的分析和仿真，以及對半導體工藝參數(shù)的深刻理解，因為制造工藝決定了晶體管的許多參數(shù)和性能。我有。有缺陷或完全無法使用。整個芯片設計也是一個比較復雜的系統(tǒng)工程，需要很好的理論知識和實踐經(jīng)驗。

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