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大功率直流电源芯片的内部设计需注意的问题有哪些?

作为一名大功率直流电源工程师,天然经常与各种芯片打交道,可能有的同学对芯片的内部并不是很了解,不少同学在使用新的芯片时直接翻到Datasheet的使用页面,依照引荐规划搭建外围完事。如此一来即便使用没有问题,却也疏忽了更多的技能细节,关于本身的技能成长并没有积累到更好的经历。作为从前短暂搞过IC规划也算流过片的一名大功率直流电源工程师,今日以一颗DC降压大功率直流电源芯片为例,尽量具体解说下一颗芯片的内部规划原理和结构,IC职业的同学随意看看就好,欢迎指教!

这是一颗电机驱动芯片的内部地图(类比如PCB的LayOut)色彩是根据不同材质结构染的色。

能够看到芯片的内部结构也和PCB规划一样,模块结构布局明晰明晰,接下来我们看看芯片的内部线路图是怎么规划的,和板级的线路规划有何异同。以TI 的一颗常用芯片LM2675为例,翻开DataSheet,首先看框图:
大功率直流电源芯片的内部设计需注意的问题有哪些?

这个图包含了大功率直流电源芯片的内部悉数单元模块,BUCK结构我们已经很了解了,这个芯片的主要功能是完结对MOS管的驱动,并经过FB脚检测输出状况来构成环路操控PWM驱动功率MOS管,完结稳压或许恒流输出。这是一个非同步形式大功率直流电源,即续流器材为外部二极管,而不是内部MOS管。

一、基准电压

相似于板级电路规划的基准大功率直流电源,芯片内部基准电压为芯片其他电路提供安稳的参阅电压。这个基准电压要求高精度、安稳性好、温漂小。芯片内部的参阅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附近,因而被称为带隙基准。这个值为1.2V左右,如下图的一种结构:
这儿要回到课本讲公式,PN结的电流和电压公式
能够看出是指数关系,Is是反向饱和漏电流(即PN结由于少子漂移构成的漏电流)。这个电流和PN结的面积成正比!即Is->S。
如此就能够推导出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !
回到上图,由运放剖析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,并且由于M3和M4的栅极电压相同,因而电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1)  N是Q1 Q2的PN结面积之比! 
这样我们最终得到基准Vref=I2*R2+Vbe2,要害点:I1是正温度系数的,而Vbe是负温度系数的,再经过N值调理一下,但是完结很好的温度补偿!得到安稳的基准电压。N一般业界依照8规划,要想完结零温度系 数,根据公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT,所以大约在1.2V左右的,现在在低压范畴能够完结小于1V的基准,并且除了温度系数还有大功率直流电源纹波按捺PSRR等问题,限于水平无法深入了。最终的简图就是这样,运放的规划当然也十分讲究:
如温度特性仿真:
点击图片可在新窗口翻开

二、振荡器OSC和PWM
我们知道开关大功率直流电源的底子原理是使用PWM方波来驱动功率MOS管,那么天然需求发生振荡的模块,原理很简单,就是使用电容的充放电构成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。
最终具体的电路规划图是这样的:
这儿有个技能难点是在电流形式下的斜坡补偿,针对的是占空比大于50%时为了安稳斜坡,额定增加了补偿斜坡,我也是浅显了解,有爱好同学可具体学习。

三、差错放大器
差错放大器的效果是为了确保输出恒流或许恒压,对反应电压进行采样处理。从而来调理驱动MOS管的PWM,如简图:

四、驱动电路
最终的驱动部分结构很简单,就是很大面积的MOS管,电流能力强。

五、其他模块电路
这儿的其他模块电路是为了确保芯片能够正常和牢靠的作业,尽管不是原理的中心,却实实在在的在芯片的规划中占有重要方位。
具体说来有几种功能:
1、发动模块
发动模块的效果天然是来发动芯片作业的,由于上电瞬间有可能一切晶体管电流为0并保持不变,这样无法作业。发动电路的效果就是相当于“点个火”,然后再封闭。如图:
上电瞬间,S3天然是翻开的,然后S2翻开能够翻开M4 Q1等,就翻开了M1 M2,右边恒流源电路正常作业,S1也翻开了,就把S2给封闭了,完结发动。如果没有S1 S2 S3,瞬间一切晶体管电流为0。
2、过压维护模块OVP
很好了解,输入电压太高时,经过开关管来关断输出,防止损坏,经过比较器能够设置一个维护点。
3、过温维护模块OTP
温度维护是为了防止芯片反常高温损坏,原理比较简单,使用晶体管的温度特性然后经过比较器设置维护点来关断输出。
4、过流维护模块OCP
在比如输出短路的情况下,经过检测输出电流来反应操控输出管的状况,能够关断或许限流。如图的电流采样,使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,然后经过电压比较器来操控MOS管的驱动。
还有一些其他辅助模块规划。

六、恒流源和电流镜
在IC内部,怎么来设置每一个晶体管的作业状况,就是经过偏置电流,恒流源电路能够说是一切电路的柱石,带隙基准也是因而发生的,然后经过电流镜来为每一个功能模块提供电流,电流镜就是经过晶体管的面积来设置需求的电流巨细,相似镜像。

七、小结
以上大约就是一颗DC大功率直流电源芯片的内部悉数结构,也算是把曾经的皮毛知识温习了一下。当然,这仅仅原理上的底子架构,具体规划时还要考虑十分多的参数特性,需求作许多的剖析和仿真,并且有必要要对半导体工艺参数有很深的了解,由于制作工艺决议了晶体管的许多参数和功能,一不小心出来的芯片就有缺点乃至底子无法使用。整个芯片规划也是一个比较复杂的系统工程,要求很好的理论知识和实践经历。最终,学而时习之,不亦说乎!

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