芯片内部设计原理和结构

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简介:本文将以DC/DC降压电源芯片为例详细解说一颗电源芯片的内部设计,它和板级的线路设计有何异同?芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压,值为1.2V左右。同时开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管。

本文将以DC/DC降压电源芯片为例详细解说一颗电源芯片的内部设计,它和板级的线路设计有何异同?芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压,值为1.2V左右。同时开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管。

这是一颗电机驱动芯片的内部版图(类比如PCB的LayOut)颜色是根据不同材质结构染的色。

芯片内部设计原理和结构

可以看到芯片的内部结构也和PCB设计一样,模块结构布局清晰明了,接下来我们看看芯片的内部线路图是如何设计的,和板级的线路设计有何异同。以TI的一颗常用芯片LM2675为例,打开DataSheet,首先看框图:

芯片内部设计原理和结构

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。

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:

芯片内部设计原理和结构

这里要回到课本讲公式,PN结的电流和电压公式:

芯片内部设计原理和结构

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!

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:

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如图温度特性仿真:

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