開(kāi)關電(diàn)源想要(yào)設計(jì)好(hǎo)€φ'，電(diàn)源IC的(de)內(nèi)部必須懂(dǒng↓ ™•)！

作(zuò)為(wèi)一(yī)名電(diàn)源研發工(gōng)程師(s γ₹hī)，自(zì)然經常與各種芯片打交道(dào)，可(kě¥&≥)能(néng)有(yǒu)的(de)工(gōng)程師(shī)>γ對(duì)芯片的(de)內(nèi)部并不(bù)是(shì)§δ↓"很(hěn)了(le)解，不(bù)少(shǎo)同學在應用(yòng)™​★新的(de)芯片時(shí)直接翻到(dào)Datasheet的(de)應σ♠β¶用(yòng)頁面，按照(zhào)推薦設計(jì)搭建外(wài)圍完事(sαβ hì)。如(rú)此一(yī)來(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)​$•的(de)技(jì)術(shù)成長(cháng)并沒有(yǒ↑‌♣φu)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€&₩π)例，盡量詳細講解下(xià)一(yī)↑α顆芯片的(de)內(nèi)部設計(jì)原理(lǐ)和(h∞εé)結構，IC行(xíng)業(yè)的(de)同學随便看(kàn)看(•≈kàn)就(jiù)好(hǎo)，歡迎指教！

LM2675-5.0的(de)典型應用(yòng)電(diπ✔<©àn)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(nπ$èi)部全部單元模塊，BUCK結構我們已經很(hěn)理(lǐ★∏ )解了(le)，這(zhè)個(gè)芯片的(dΩ•×e)主要(yào)功能(néng)是(shì)實現(xiàn)對(d&÷uì)MOS管的(de)驅動，并通(tōng)過FB腳檢測輸出Ωφ狀态來(lái)形成環路(lù)控制(zhì)PWM驅動功率✘$☆÷MOS管，實現(xiàn)穩壓或者恒流輸出。這(zhè)是(shìΩ₹&→)一(yī)個(gè)非同步模式電(diàn)源，即♣≤×續流器(qì)件(jiàn)為(wèi)外(wài)部二極管，♣ ←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(x≥>>iàn)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)壓為(wèi)芯片₩¶Ω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(xiǎo)。芯片內♠↑✔(nèi)部的(de)參考電(diàn)壓又(yòu)被稱​γ為(wèi)帶隙基準電(diàn)壓，因為(wèi)這(zhβ≠è)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)1.2V左右，如(rú)下(xiαδβ↔à)圖的(de)一(yī)種結構：
這(zhè)裡(lǐ)要(yào)回到(dàβ‍∞o)課本講公式，PN結的(de)電(diàn)流和(hé)電(diàn••★)壓公式：
可(kě)以看(kàn)出是(shì)指數(shù)關系♥✔α，Is是(shì)反向飽和(hé)漏電(diàσ'₽n)流（即PN結因為(wèi)少(shǎo)子(zǐ)漂移造成的(de)漏β≥β•電(diàn)流）。這(zhè)個(gè)電(diàn)流和(hé)PN>ε₩結的(de)面積成正比！即Is->S×π♣。

如(rú)此就(jiù)可(kě)以推導出Vbe=VT*ln∞♥Ω(Ic/Is) !

回到(dào)上(shàng)圖，由運放(fàng)分(fēn)析VX=VYλ$←©，那(nà)麽就(jiù)是(shì)I1*R1+Vbe1=✘∏∞Vbe2，這(zhè)樣可(kě)得(de)：I1♦δφ←=△Vbe/R1，而且因為(wèi)M3和(hé)M4的(de™§✔₹)栅極電(diàn)壓相(xiàng)同，因此電(diàn)流I1=I2，'δ±所以推導出公式：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VX☆Ω £=VY，那(nà)麽就(jiù)是(shì)I1*R1+Vb≤≠♣e1=Vbe2，這(zhè)樣可(kě)得(de♣&)：I1=△Vbe/R1，而且因為(wèi)M3和(hé)M4的(♥ γδde)栅極電(diàn)壓相(xiàng)☆λ同，因此電(diàn)流I1=I2，所以推導出公式：I1=I'×≠2=VT*ln(N/R1)   πN是(shì)Q1 Q2的(de)PN結面積之比☆γ₹£！

這(zhè)樣我們最後得(de)到(dào)基準Vref=I2*R2✘✘$+Vbe2，關鍵點：I1是(shì)正溫度系數(shù)的(de)，而Vbe₽ ∏∞是(shì)負溫度系數(shù)的(de)，再™β通(tōng)過N值調節一(yī)下(xià)，可(kě)是('↓shì)實現(xiàn)很(hěn)好(♥>±hǎo)的(de)溫度補償！得(de)到(dào)穩定的(de)基準電(d$δ®εiàn)壓。N一(yī)般業(yè)界按照✔§>(zhào)8設計(jì)，要(yào)想實現(xiàn)零溫度系 <÷←數(shù)，根據公式推算(suàn)出Vref=Vbe2+ ✘≈17.2*VT，所以大(dà)概在1.2V左右的(de)，目前在低(dī)壓↕≈€★領域可(kě)以實現(xiàn)小(xiǎo)于1V的(de)基準¥™γ$，而且除了(le)溫度系數(shù)還(hái)有(yǒu¥↑)電(diàn)源紋波抑制(zhì)PSR×≈R等問(wèn)題，限于水(shuǐ)平沒法深入了(le)。最後的(de)簡§'圖就(jiù)是(shì)這(zhè)樣，運放(fàng)的(de)設計(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(yòn​λΩg)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(shì)利用(yòng)電(diàn∞←σ)容的(de)充放(fàng)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)設計(jìπ≤∏©)圖是(shì)這(zhè)樣的(de)：™λ∑ 這(zhè)裡(lǐ)有(yǒu)個(gè)技(jì)術(shù)難點是(sh©♦±ì)在電(diàn)流模式下(xià)的(de)斜坡補償，針對(duì)的(₩€ <de)是(shì)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(shì)粗淺了(le)解，有(yǒu)興趣同學可(kě)♥↕φ 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(yònσ☆♠♠g)是(shì)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(ε§lǐ)。從(cóng)而來(lái)調節驅動MOS管的(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≠€σ)簡單，就(jiù)是(shì)很(hěn)™‌∏γ大(dà)面積的(de)MOS管，電(diàn)流能(n≥≤ σéng)力強。五、其他(tā)模塊電(diàn)路(lù)

這(zhè)裡(lǐ)的(de)其他(tā)模塊電(diàn)路(lδδ ù)是(shì)為(wèi)了(le)保證芯片能(néng)夠正常和(h©→é)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(↑λzì)然是(shì)來(lái)啓動芯片工(gō↕&ng)作(zuò)的(de)，因為(wèi)上(β​≈shàng)電(diàn)瞬間(jiān)有(yǒu)可(k'§ě)能(néng)所有(yǒu)晶體(tǐ)管電(diàn)流為( ✘‌wèi)0并維持不(bù)變，這(zhè)樣沒法工(gōng)作(zuò)Ω 。啓動電(diàn)路(lù)的(de)作(zuò)用(yònΩ g)就(jiù)是(shì)相(xiàng)當★φ©于“點個(gè)火(huǒ)”，然後再關閉。如(r ±βΩú)圖：

上(shàng)電(diàn)瞬間(jiān)，S3自(≠'zì)然是(shì)打開(kāi)的(deπσ$)，然後S2打開(kāi)可(kě)以打開(kāi)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(wèi)0。

2、過壓保護模塊OVP

很(hěn)好(hǎo)理(lǐ)解，輸入電(diàn)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)過比較器(qì)可(•β₽§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δεγ<高(gāo)溫損壞，原理(lǐ)比較簡單，利用(yòng)晶體(t¶σ↔ǐ)管的(de)溫度特性然後通(tōng)過比™<較器(qì)設置保護點來(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(t↑₽ōng)過檢測輸出電(diàn)流來(lái)反饋控制(zhì)輸Ω>♥÷出管的(de)狀态，可(kě)以關斷或者限流。如(rú)圖的(de>γφ)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(q​‌ì)來(lái)控制(zhì)MOS管的(de)驅動。
還(hái)有(yǒu)一(yī)些(xiē)其他(tā)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)設置每一(yī)個(★γε∑gè)晶體(tǐ)管的(de)工(gōng)作(zuò)狀态，就(jiù)是(®©σ≈shì)通(tōng)過偏置電(diàn)流，恒流源電(diàn)路(l≥←∏ù)可(kě)以說(shuō)是(shì)所有(yǒu)電(diàn)路(lπ ù)的(de)基石，帶隙基準也(yě)是(shì)因此産生(s×★hēng)的(de)，然後通(tōng)過電(diàn)流鏡來(láβ>i)為(wèi)每一(yī)個(gè)功能(néng)模塊提供電(diàn)♠↕流，電(diàn)流鏡就(jiù)是(shì)通(tōng)過晶體(tǐ)管的≥"​ (de)面積來(lái)設置需要(yào)的(de)電(dià€♥≥∏n)流大(dà)小(xiǎo)，類似鏡像。

七、小(xiǎo)結
以上(shàng)大(dà)概就(jiù)是(shì)一(yī)顆<∑∏DC/DC電(diàn)源芯片LM2675的(de)內(nèi)部全部'®結構，也(yě)算(suàn)是(shì)把以前的(de)皮毛知(zhīσ"₩)識複習(xí)了(le)一(yī)下(xià)。 Ω✔σ當然，這(zhè)隻是(shì)原理(lǐ)上(shàng)的(de)基&≥$↕本架構，具體(tǐ)設計(jì)時(shí)還(hái)要(★←←Ωyào)考慮非常多(duō)的(de)參數(shù≠‌)特性，需要(yào)作(zuò)大(d↓¶÷à)量的(de)分(fēn)析和(hé)仿真，而且必須要(yào)對(duì↕←׶)半導體(tǐ)工(gōng)藝參數(shù)≤ε↔有(yǒu)很(hěn)深的(de)理(lǐ)解，因為(wèi)制(→★±≠zhì)造工(gōng)藝決定了(le)晶體(tǐ​‍¶≤)管的(de)很(hěn)多(duō)參數(sh≥λ★ù)和(hé)性能(néng)，一(yī)不(bù)小(xiǎo)心出來(lá✔ β¥i)的(de)芯片就(jiù)有(yǒu)缺陷甚至根本沒法應用(yòng)$☆。整個(gè)芯片設計(jì)也(yě)是(shì)一(yī)個(gè)比€¥₩較複雜(zá)的(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，'δ✘學而時(shí)習(xí)之，不(bù)亦說( ×♦★shuō)乎！