电源芯片LM2675内部结构小解

电路设计中经常要与电源打交道,电源的稳定性和精确性直接影响整个电路的正确工作与否。通常根据Datasheet的应用举例,怀着既有之则用之的心态,根据实际需求搭建外围电路完事。即使完成的电路能正常工作,却亦缺失了内部的技术细节,对自身的提高和成长并没有很好地效果。文中以LM2675为例,对其内部结构进行相对详细的梳理,同时也对自身基础知识的温习。

要充分了解LM2675,Datasheet当然是必不可少的文件,LM2675-5.0的典型应用电路如下图所示,典型应用电路整体呈现为Buck拓扑结构:

芯片内部各单元模块组成如下图所示:

该图中包含了电源芯片内部的全部单元模块,芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动,并通过FEEDBACK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。各模块功能分析如下:

一、基准电压


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。该基准电压要求精度高、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,由于这个电压值和硅的带隙电压相近,故被称为带隙基准。该值大约为1.2V左右,如下图结构所示:

PN结的电流和电压公式:

上式中呈现出指数关系,IS是反向饱和漏电流(即PN结由于少子漂移造成的漏电流)。该电流和PN结的面积成正比!!!即IS—>S。

如此可以推导出 VBE=VT * ln(IC / IS)!!!!

由上图运放分析可知:VX = VY,即 I1 * R1 + VBE1 = VBE2,这样可得:

I1 = △VBE / R1,而且由于M1、M2的栅极电压相同,故电流I1 = I2,所以推导出公式:

I1 = I2 = VT * ln(N / R1) 

上式中,N为Q1、Q2的PN结面积之比!!!

通过以上可得:VREF = I2 * R2 + VBE2,此处关键点: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,可实现良好的温度补偿!得到稳定的基准电压!!N值一般业界按照 8 设计,想要实现零温度系数,根据公式可推算出:

VREF = VBE2 + 17.2 * VT

该值大概在1.2V左右,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,限于自身水平问题,无法继续深入探讨,简图如下:

二、振荡器OSC和PWM


众所周知,开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管,故自然需要产生振荡的模块,原理很简单,即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。

精密电流充放电振荡器原理

此处存在的技术难点是在电流模式下的斜坡补偿,针对的是占空比大于50%时为了稳定斜坡,额外增加了补偿斜坡,此处有待继续深入了解!!!

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,简图如下所示:

 四、驱动电路


驱动部分结构较为简单,即大面积的MOS管,电流能力强!!!

五、其他模块电路


为了保证芯片能够稳定和可靠地工作,仍然需要其他模块电路进行配合,这些模块虽然不是电路的核心,却也是十分重要的。具体如下:

1、启动模块

 启动模块的作用顾名思义就是用来启动芯片工作的,由于上电瞬间有可能所有晶体管电流为 0 并维持不变,这样无法工作。启动电路的作用就是相当于“点个火”,然后再关闭。如下图所示:

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

当然还有一些其他辅助模块设计。

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。

曲率补偿的能隙基准

七、小结


以上对DC/DC电源芯片LM2675的内部全部结构进行了简单的梳理,具体设计时还要考虑非常多的参数特性,同时需要做大量的分析和仿真,而且必须要对半导体工艺参数有很深的理解,因为制造工艺决定了晶体管的很多参数和性能,稍有差池出来的芯片就会存在缺陷甚至根本无法使用。整体芯片设计是一个比较复杂的系统工程,要求具备良好的理论知识和实践经验。以上与大家分享并共勉之!!!!

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