講解下一顆晶片的內部設計原理和結構

2020-11-25 電子發燒友

講解下一顆晶片的內部設計原理和結構

multisim 發表於 2020-11-24 17:01:53

作為一名電源研發工程師，自然經常與各種晶片打交道，可能有的工程師對晶片的內部並不是很了解，不少同學在應用新的晶片時直接翻到 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，對於自身的技術成長並沒有積累到更好的經驗。今天以一顆 DC/DC 降壓電源晶片 LM2675 為例，儘量詳細講解下一顆晶片的內部設計原理和結構，IC 行業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
 

這個圖包含了電源晶片的內部全部單元模塊，BUCK 結構我們已經很理解了，這個晶片的主要功能是實現對 MOS 管的驅動，並通過 FB 腳檢測輸出狀態來形成環路控制 PWM 驅動功率 MOS 管，實現穩壓或者恆流輸出。這是一個非同步模式電源，即續流器件為外部二極體，而不是內部 MOS 管。

下面咱們一起來分析各個功能是怎麼實現的！

基準電壓
類似於板級電路設計的基準電源，晶片內部基準電壓為晶片其他電路提供穩定的參考電壓。這個基準電壓要求高精度、穩定性好、溫漂小。晶片內部的參考電壓又被稱為帶隙基準電壓，因為這個電壓值和矽的帶隙電壓相近，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：
 

這裡要回到課本講公式，PN 結的電流和電壓公式：
 



可以看出是指數關係，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，那麼就是 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，那麼就是 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!

這樣我們最後得到基準 Vref=I2*R2+Vbe2，關鍵點：I1 是正溫度係數的，而 Vbe 是負溫度係數的，再通過 N 值調節一下，可是實現很好的溫度補償!得到穩定的基準電壓。N 一般業界按照 8 設計，要想實現零溫度系 數，根據公式推算出 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小於 1V 的基準，而且除了溫度係數還有電源紋波抑制 PSRR 等問題，限於水平沒法深入了。最後的簡圖就是這樣，運放的設計當然也非常講究：
 

如圖溫度特性仿真：
 

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，那麼自然需要產生振蕩的模塊，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佔空比可調的方波。
 

最後詳細的電路設計圖是這樣的：
 

這裡有個技術難點是在電流模式下的斜坡補償，針對的是佔空比大於 50%時為了穩定斜坡，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恆流或者恆壓，對反饋電壓進行採樣處理。從而來調節驅動 MOS 管的 PWM，如簡圖：
 

驅動電路
最後的驅動部分結構很簡單，就是很大面積的 MOS 管，電流能力強。
 

其他模塊電路
這裡的其他模塊電路是為了保證晶片能夠正常和可靠的工作，雖然不是原理的核心，卻實實在在的在晶片的設計中佔據重要位置。

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晶片工作的，因為上電瞬間有可能所有電晶體電流為 0 並維持不變，這樣沒法工作。啟動電路的作用就是相當於「點個火」，然後再關閉。如圖：

上電瞬間，S3 自然是打開的，然後 S2 打開可以打開 M4 Q1 等，就打開了 M1 M2，右邊恆流源電路正常工作，S1 也打開了，就把 S2 給關閉了，完成啟動。如果沒有 S1 S2 S3，瞬間所有電晶體電流為 0。
 



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。
 



3、過溫保護模塊 OTP
溫度保護是為了防止晶片異常高溫損壞，原理比較簡單，利用電晶體的溫度特性然後通過比較器設置保護點來關斷輸出。
 

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，可以關斷或者限流。如圖的電流採樣，利用電晶體的電流和面積成正比來採樣，一般採樣管 Q2 的面積會是輸出管面積的千分之一，然後通過電壓比較器來控制 MOS 管的驅動。
 

還有一些其他輔助模塊設計。

恆流源和電流鏡
在 IC 內部，如何來設置每一個電晶體的工作狀態，就是通過偏置電流，恆流源電路可以說是所有電路的基石，帶隙基準也是因此產生的，然後通過電流鏡來為每一個功能模塊提供電流，電流鏡就是通過電晶體的面積來設置需要的電流大小，類似鏡像。
 


 

總 結
以上大概就是一顆 DC/DC 電源晶片 LM2675 的內部全部結構，也算是把以前的皮毛知識複習了一下。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有很深的理解，因為製造工藝決定了電晶體的很多參數和性能，一不小心出來的晶片就有缺陷甚至根本沒法應用。整個晶片設計也是一個比較複雜的系統工程，要求很好的理論知識和實踐經驗。最後，學而時習之，不亦說乎！

責任編輯：lq

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