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自然经常与各种芯片打交道，可能有的工程师对芯片的内部并不是很了解，不少同学在应用新的芯片时直接翻到Datasheet的应用页面，按照推荐设计搭建外围完事。如此一来即使应用没有问题，却也忽略了更多的技术细节，对于自身的技术成长并没有积累到更好的经验。今天以一颗DC/DC降压电 源 芯 片LM2675为例，尽量详细讲解下一颗芯片的内部设计原理和结构，IC行业的同学随便看看就好，欢迎指教!
LM2675-5.0的典型应用电 路
打开LM2675的DataSheet，首先看看框图
这个图包含了电源芯片的内部全部单元模块，BUCK结构我们已经很理解了，这个芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动，并通过FB脚检测输出状态来形成环路控制P W M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。
下面咱们一起来分析各个功能是怎么实现的
一、基 准 电 压
类似于板级电 路设计的基准电源，芯片内部基准电 压为芯片其他电 路提供稳定的参考电 压。这个基准电 压要求高精度、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，因为这个电 压值和硅的带隙 电 压相近，因此被称为带隙基准。这个值为1.2V左右，如下图的一种结构：
这里要回到课本讲公式，PN结的电 流和电 压公式：
可以看出是指数关系，Is是反向饱和漏电 流(即PN结因为少子漂移造成的漏电 流)。这个电 流和PN结的面积成正比!即Is->S。
如此就可以推导出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !
回到上图，由运放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，这样可得：I1=△Vbe/R1，而且因为M3和M4的栅极电 压相同，因此电 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!
回到上图，由运放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，这样可得：I1=△Vbe/R1，而且因为M3和M4的栅极电 压相同，因此电 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!
这样我们最后得到基准Vref=I2*R2+Vbe2，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，可是实现很好的温度补偿!得到稳定的基准电 压。N一般业界按照8设计，要想实现零温度系 数，根据公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以大概在1.2V左右的，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，限于水平没法深入了。最后的简图就是这样，运放的设计当然也非常讲究：
如 图 温 度 特 性 仿 真：
二、振 荡 器 O S C 和 P W M
我们知道开关电源的基本原理是利用P W M方波来驱动功率MOS管，那么自然需要产生振荡的模块，原理很简单，就是利用电 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。
最后详细的电 路设计图是这样的：
这里有个技术难点是在电 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，我也是粗浅了解，有兴趣同学可详细学习。
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P W M，如简图：
四、驱 动 电 路
最后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
这里的其他模块电 路是为了保证芯片能够正常和可靠的工作，虽然不是原理的核心，却实实在在的在芯片的设计中占据重要位置。
具体说来有几种功能：
1、启动模块
启动模块的作用自然是来启动芯片工作的，因为上电瞬间有可能所有晶 体 管电 流为0并维持不变，这样没法工作。启动电 路的作用就是相当于“点个火”，然后再关闭。如图：
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。
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。
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发表于 2019-6-6 10:11:48
