作(zuò)為(wèi)一(yī)名電(diàn)源←<研發工(gōng)程師(shī)，自(zì)然經常與各種芯片♣打交道(dào)，可(kě)能(néng)有(y×↔∑ǒu)的(de)工(gōng)程師(shī)對(du ì)芯片的(de)內(nèi)部并不(bù)是(sh¶γ₩ì)很(hěn)了(le)解，不(bù)少(shǎo)同學在應用(yòng) σ™新的(de)芯片時(shí)直接翻到(dào)Datasheet的(™≥©↑de)應用(yòng)頁面，按照(zhào)推薦設計(jì∏§" )搭建外(wài)圍完事(shì)。如(rú)此一(yī)來ו'¥(lái)即使應用(yòng)沒有(yǒu)問(wèn)題， ↓↔卻也(yě)忽略了(le)更多(duō)的(de)技÷>(jì)術(shù)細節，對(duì)于自(zì)身(shēn↕σ)的(de)技(jì)術(shù)成長(cháng)并沒有(yǒu)積♥∑♥'累到(dào)更好(hǎo)的(de)經驗。今天以一(yī)顆DC/DC降壓>©€電(diàn)源芯片LM2675為(wèi)例，盡量詳細講解下(xi™©à)一(yī)顆芯片的(de)內(nèi )部設計(jì)原理(lǐ)和(hé)結構，IC行(xíng)業(yè)α的(de)同學随便看(kàn)看(kàn)就(jiù)好(hǎo)，歡迎指教$π！
LM2675-5.0的(de)典型應用(yòng)電(diàn)★γ★路(lù)
打開(kāi)LM2675的(de)DataSheet，首先看(kàn)看÷©(kàn)框圖
這(zhè)個(gè)圖包含了(le)電(diàn)源芯片的(de)內(nèi×Ω☆)部全部單元模塊，BUCK結構我們已經很(hěn)理(lǐ)解•×了(le)，這(zhè)個(gè)芯片的(de)主要(yào)功能(n<φéng)是(shì)實現(xiàn)對(duì)MOS管的(de)驅₩>動，并通(tōng)過FB腳檢測輸出狀态來(lái)形成環路αγ(lù)控制(zhì)PWM驅動功率MOS管，實現(xià←σn)穩壓或者恒流輸出。這(zhè)是(shì)一(yī)個(gè)非同∏±♦φ步模式電(diàn)源，即續流器(qì)件(™ φ'jiàn)為(wèi)外(wài)部二極管，→"•σ而不(bù)是(shì)內(nèi)部MOS管。
下(xià)面咱們一(yī)起來(lái)分(fēn)析各個(gè)← 功能(néng)是(shì)怎麽實現(xiàλπσn)的(de)
一(yī)、基準電(diàn)壓
類似于闆級電(diàn)路(lù)設計( ®jì)的(de)基準電(diàn)源，芯片內(nèi)部基準電(diàn←<ε)壓為(wèi)芯片其他(tā)電(diàn)路(lù)™∏✘∑提供穩定的(de)參考電(diàn)壓。這(zhè)個(gè)基準電(diàn☆↓↓)壓要(yào)求高(gāo)精度、穩定性好(hǎo)、溫漂小≥✔δ(xiǎo)。芯片內(nèi)部的(de)參考÷★ 電(diàn)壓又(yòu)被稱為(wè$✔i)帶隙基準電(diàn)壓，因為(wèi)σ&☆這(zhè)個(gè)電(diàn)壓值和(hé)§" 矽的(de)帶隙電(diàn)壓相(xiàng)近(jìn)，因此被稱為<$∞∑(wèi)帶隙基準。這(zhè)個(gè)值為(wèi)¶ε↕₽1.2V左右，如(rú)下(xià)圖的(de)一(yī)種結構：
這(zhè)裡(lǐ)要(yào)回到(dào)課本講↓β§公式，PN結的(de)電(diàn)流和(h₹∞σé)電(diàn)壓公式：
可(kě)以看(kàn)出是(shì)指數(shù)關系，Is是(sh™£&₩ì)反向飽和(hé)漏電(diàn)流（即PN∏>結因為(wèi)少(shǎo)子(zǐ)漂移造成的(de)漏電(diàn€★)流）。這(zhè)個(gè)電(diàn)流和(h¶¶≥ é)PN結的(de)面積成正比！即Is->S。
如(rú)此就(jiù)可(kě)以推導出Vbe=VT*ln(Ic/Is↓≥) !
回到(dào)上(shàng)圖，由運放Ω™(fàng)分(fēn)析VX=VY，那(nà)麽就∑×>(jiù)是(shì)I1*R1+Vbe1=Vbe2，這(zhè)樣可(k∑φ±ě)得(de)：I1=△Vbe/R1，而且因為(wè≤₩ i)M3和(hé)M4的(de)栅極電(diàn)壓相(xiàng)同 ₩≤，因此電(diàn)流I1=I2，所以推↔β導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是(sh✘£©±ì)Q1 Q2的(de)PN結面積之比！
回到(dào)上(shàng)圖，由運放(fàng)分(fēn)析ε¥✘δVX=VY，那(nà)麽就(jiù)是(shì)I♥★✘1*R1+Vbe1=Vbe2，這(zhè)樣可(kě)得®γ(de)：I1=△Vbe/R1，而且因為(wβèi)M3和(hé)M4的(de)栅極電(diàn)壓相(xiàΩπ≥±ng)同，因此電(diàn)流I1=I2，所以推導出公式：I1=I2=™✘VT*ln(N/R1) N是(shì)Q1 Q2的(dγ♦∏✔e)PN結面積之比！
這(zhè)樣我們最後得(de)到(dào)基準Vref=I2*✔&☆♦R2+Vbe2，關鍵點：I1是(shì)正溫度系數(™β∞shù)的(de)，而Vbe是(shì)負溫度系數(shù)的(βπ©£de)，再通(tōng)過N值調節一(yī)下(xià)，可(kě)是σ& ★(shì)實現(xiàn)很(hěn)好(h¶≤ǎo)的(de)溫度補償！得(de)到(₽≥dào)穩定的(de)基準電(diàn)壓。N一≤ (yī)般業(yè)界按照(zhào)8設計(jì)，β★∞ 要(yào)想實現(xiàn)零溫度系 數(shù)， α™•根據公式推算(suàn)出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以大(d࣠β>)概在1.2V左右的(de)，目前在低(dī)壓領域可(kě)以實現♥δ∑(xiàn)小(xiǎo)于1V的(de)基準，而且除了(le)溫度系<←♥數(shù)還(hái)有(yǒu)電(diàn)源₹♥紋波抑制(zhì)PSRR等問(wèn)題，限于α↔"水(shuǐ)平沒法深入了(le)。最後的(de)簡圖就(jiù)是(shìπφ)這(zhè)樣，運放(fàng)的(de)設計γ>€₩(jì)當然也(yě)非常講究：如(rú)圖溫度特性仿真：
二、振蕩器(qì)OSC和(hé)PWM
我們知(zhī)道(dào)開(kāi)關電(diàn)源的(de)基本€§原理(lǐ)是(shì)利用(yòng)PWM方§♥±波來(lái)驅動功率MOS管，那(nà)麽自(zì)然需要₽₩•(yào)産生(shēng)振蕩的(de)模塊，原理♥(lǐ)很(hěn)簡單，就(jiù)是(s§λε★hì)利用(yòng)電(diàn)容的(de)充放(fànφσβ§g)電(diàn)形成鋸齒波和(hé)比較器(qì)來(lái) © 生(shēng)成占空(kōng)比可(kě)"₽>調的(de)方波。
最後詳細的(de)電(diàn)路(lù)δ ₽設計(jì)圖是(shì)這(zhè)樣的(de)：
這(zhè)裡(lǐ)有(yǒu)個(gè)技(jì)術(shù)難✔£™點是(shì)在電(diàn)流模式下(x'<ià)的(de)斜坡補償，針對(duì)的(de)是(s←±σhì)占空(kōng)比大(dà)于50%時(shí✘)為(wèi)了(le)穩定斜坡，額外(wài$♣)增加了(le)補償斜坡，我也(yě)是(s★Ω'hì)粗淺了(le)解，有(yǒu)興趣同學可&(kě)詳細學習(xí)。
三、誤差放(fàng)大(dà)器(qì)
誤差放(fàng)大(dà)器(qì)的(de)作(zuò)用(yòng)是(₩φshì)為(wèi)了(le)保證輸出恒流或者恒壓，對(duì)反饋電¥®&(diàn)壓進行(xíng)采樣處理(lǐ) ×♥ 。從(cóng)而來(lái)調節驅動MOS管 Ω& 的(de)PWM，如(rú)簡圖：四、驅動電(diàn)路(lù)
最後的(de)驅動部分(fēn)結構很(hěn)簡單×♦，就(jiù)是(shì)很(hěn)大(dà)面積的(de)MOS管，電δ₽(diàn)流能(néng)力強。
五、其他(tā)模塊電(diàn)路(lù)
這(zhè)裡(lǐ)的(de)其他(tā)模塊電(dià☆₽≤₩n)路(lù)是(shì)為(wèi)了(le)保證芯片能(néng)夠ε正常和(hé)可(kě)靠的(de)工(gōng)作÷✘(zuò)，雖然不(bù)是(shì)原理(lǐ)的(de)核心，卻實實 "§α在在的(de)在芯片的(de)設計(jì)中占據重要(yào)位置。
具體(tǐ)說(shuō)來(lái)有(yǒu)幾種功能'≠(néng)：
1、啓動模塊
啓動模塊的(de)作(zuò)用(yòng)自(zì♦×)然是(shì)來(lái)啓動芯片工(gōng)作(♣≈≤zuò)的(de)，因為(wèi)上(shàng)α÷¶電(diàn)瞬間(jiān)有(yǒu)&♥可(kě)能(néng)所有(yǒu)晶體₹¶✘π(tǐ)管電(diàn)流為(wèi)0并維持不(bù)變，這(z&∑hè)樣沒法工(gōng)作(zuò)。啓動電(diàn)路(lù)的(de)φ♠ 作(zuò)用(yòng)就(jiù)是(sh✘$$ì)相(xiàng)當于“點個(gè)火(huǒ)”，≤₹€γ然後再關閉。如(rú)圖：
上(shàng)電(diàn)瞬間(jiān)，S3自≥φ€(zì)然是(shì)打開(kāi)的(de¥Ω )，然後S2打開(kāi)可(kě)以打開(kāi)δ®M4 Q1等，就(jiù)打開(kāi)了(le)M1 M2≈™₽，右邊恒流源電(diàn)路(lù)正常工(gōng)作($↓ zuò)，S1也(yě)打開(kāi)了(le)，就(jiù)把S2給關閉&≠♦了(le)，完成啓動。如(rú)果沒有(yǒu)S1 S2 S3，瞬間(&€jiān)所有(yǒu)晶體(tǐ)管電(diàn)流為(wèγβ"i)0。
2、過壓保護模塊OVP
很(hěn)好(hǎo)理(lǐ)解，輸入電(di∞§àn)壓太高(gāo)時(shí)，通(tōng)過開(kāi™✔ )關管來(lái)關斷輸出，避免損壞，通(tōng)φ₹過比較器(qì)可(kě)以設置一(yī)個(gè)保護點。
3、過溫保護模塊OTP
溫度保護是(shì)為(wèi)了(le)防止芯片異常高®§✔(gāo)溫損壞，原理(lǐ)比較簡單，利用(yòng)晶體(tǐ)管的(•¶±de)溫度特性然後通(tōng)過比較器(qì)設置保護點來↓λ(lái)關斷輸出。
4、過流保護模塊OCP
在譬如(rú)輸出短(duǎn)路(lù)的(de)情況下(xià)，通(tō&¥↑γng)過檢測輸出電(diàn)流來(lái)♦¥反饋控制(zhì)輸出管的(de)狀态，可(φ↕≠kě)以關斷或者限流。如(rú)圖的(de)電'€₽(diàn)流采樣，利用(yòng)晶體(tǐ)管的(de)電(♥₽♠diàn)流和(hé)面積成正比來(lái)采樣，一(™$ ≠yī)般采樣管Q2的(de)面積會(huì↑£)是(shì)輸出管面積的(de)千分(fēn≥<↔)之一(yī)，然後通(tōng)過電(diàn)壓比較器(§≥δεqì)來(lái)控制(zhì)MOS管的(de)驅♠¥±動。
還(hái)有(yǒu)一(yī)些(xiē)其他(tā)"←α輔助模塊設計(jì)。
六、恒流源和(hé)電(diàn)流鏡
在IC內(nèi)部，如(rú)何來(lái)設&ΩδΩ置每一(yī)個(gè)晶體(tǐ)管的 $$(de)工(gōng)作(zuò)狀态，就(jiù)是(shì)通(tō"↓ng)過偏置電(diàn)流，恒流源電(diàn)路(lù)可(kě)以說( ×↓•shuō)是(shì)所有(yǒu)電(d ♣σiàn)路(lù)的(de)基石，帶隙基準也(yě)是(shì)因此産生(s≤∏εhēng)的(de)，然後通(tōng)過電(diàn)流™λ☆≈鏡來(lái)為(wèi)每一(yī)個(↔δ$gè)功能(néng)模塊提供電(diàn)→≤流，電(diàn)流鏡就(jiù)是(shì)通(tōπγ£ng)過晶體(tǐ)管的(de)面積來(lái)設置需♠ 要(yào)的(de)電(diàn)流大(dàσ✘)小(xiǎo)，類似鏡像。
七、小(xiǎo)結
以上(shàng)大(dà)概就(jiù)是(shì)→∞φ'一(yī)顆DC/DC電(diàn)源芯片LM2675的(de)內(nèi)β₽部全部結構，也(yě)算(suàn)是(shì)把以前的(deλ★Ω☆)皮毛知(zhī)識複習(xí)了(le)一(yī)×÷₩下(xià)。當然，這(zhè)隻是(shì)原理(lǐ)上(shàng ₹ σ)的(de)基本架構，具體(tǐ)設計(jì)時(shí)還(hái)要(y↔↕ ào)考慮非常多(duō)的(de)參數(shù)特性，需₹₹≈→要(yào)作(zuò)大(dà)量的(de)分(fēn)析和(hé)₽ '仿真，而且必須要(yào)對(duì)半導體(tǐ)∑÷<£工(gōng)藝參數(shù)有(yǒu)很(hě ×÷∞n)深的(de)理(lǐ)解，因為(wèi)制(zhì)造工₽•(gōng)藝決定了(le)晶體(tǐ)管的(de)很(hěn)>↕多(duō)參數(shù)和(hé)性能(₹¥"≤néng)，一(yī)不(bù)小(xiǎo)心出來(láαλ♦i)的(de)芯片就(jiù)有(yǒuδ÷)缺陷甚至根本沒法應用(yòng)。整個(gè)芯片設計δλ≥€(jì)也(yě)是(shì)一(yī)個(gè)比較複雜(zá)的δ&•(de)系統工(gōng)程，要(yào)求很(hěn)好(hǎo)的(©×de)理(lǐ)論知(zhī)識和(hé)實踐₹∞經驗。最後，學而時(shí)習(xí)之₩ ₩，不(bù)亦說(shuō)乎！
