チップの内部設計原理と構造解析を詳しく解説

抽象的な

私は電源の研究開発エンジニアとして、当然ながらさまざまなチップに触れることが多いです。エンジニアの中にはチップの内部に詳しくない人もいるかもしれません。多くの学生は、新しいチップを適用するときにデータ セットのアプリケーション ページに直接アクセスし、推奨される設計に従ってペリフェラルを構築します。それでおしまい。このように、アプリケーションが優れていたとしても、技術的な詳細は無視され、自分自身の技術的な成長のためにより良い経験は蓄積されません。今回は、DC/DC降圧電源チップLM2675を例に、以下のチップの内部設計原理と構造について詳しく説明します。  
 LM2675-5.0の代表的な応用回路  
   
  LM2675 のデータシートを開いて、まずブロック図を見てください。
   
 この図には、電源チップのすべての内部ユニット モジュールが含まれています。 BUCKの構造がよく分かりました。このチップの主な機能は、MOS トランジスタを駆動し、FB 端子の出力状態を検出してループ制御された PWM 駆動パワー MOS トランジスタを形成し、安定した電圧または定電流出力を実現することです。 これは非同期モード電源です。つまり、フリーホイール デバイスは内部の MOS チューブではなく外部ダイオードです。それぞれの機能がどのように実現されているかを分析してみましょう。
  まず、基準電圧  
  ボードレベルの回路設計の基準電源と同様に、チップの内部基準電圧は、チップの他の回路に安定した基準電圧を提供します。この基準電圧には、高精度、優れた安定性、および小さい温度ドリフトが必要です。チップ内の基準電圧はバンドギャップ基準電圧とも呼ばれます。この電圧はシリコンのバンドギャップ電圧に近いため、バンドギャップ基準と呼ばれます。次の図に示すように、この値は約 1.2V です。
 
   
  教科書に戻って、PN 接合の電流と電圧の公式について話しましょう。  
   
  これは指数関数的であり、IS は逆飽和リーク電流 (つまり、少数キャリアのドリフトによって引き起こされる PN 接合のリーク電流) であることがわかります。 この電流は PN 接合の面積に比例します。 です→S..このようにして、Vbe=VT*ln(Ic/Is) が導き出されます。上の図に戻ると、オペアンプの解析によれば、VX=VY となり、I1*R1+Vbe1=Vbe2 となるため、I1=△Vbe/R1 が得られます。また、M3 と M4 のゲート電圧は同様に、電流 I1=I2 なので、次の式が導かれます。 I1=I2=VT*ln(N/R1) N は、Q1 と Q2 の PN 接合面積の比です。上の図に戻ると、オペアンプの解析によれば、VX=VY となり、I1*R1+Vbe1=Vbe2 となるため、I1=△Vbe/R1 が得られます。また、M3 と M4 のゲート電圧は同様に、電流 I1=I2 なので、次の式が導かれます。 I1=I2=VT*ln(N/R1) N は、Q1 と Q2 の PN 接合面積の比です。このようにして、最終的にベンチマーク Vref=I2*R2+Vbe2 を取得します。重要な点は、I1 が正の温度係数であるのに対し、Vbe は負の温度係数であるということです。 Nの値を調整すると、良好な温度補償が実現できます。 そして安定した基準電圧が得られます。 一般に、業界では 8 に従って設計が行われます。ゼロ温度係数を達成するには、式に従って Vref=Vbe2+17.2*VT が計算されるため、約 1.2V になります。現時点では、1V 未満のベンチマークを達成できます。低電圧分野。温度係数以外にも電源リップルのPSRR抑制などの問題があり、レベル的に深くできない。 最後の図は次のようなもので、オペアンプの設計はもちろん非常に特殊です。
   
  図に示すように温度特性シミュレーション:  
   
  第二に、発振器のOSCとPWM
 
スイッチング電源の基本原理はPWM方形波でパワーMOSトランジスタを駆動するということなので、当然発振を発生させるモジュールが必要になります。原理は非常に単純で、コンデンサを充放電してノコギリ波を形成し、コンパレータを使用してデューティ比を調整可能な方形波を生成します。
 
   
最終的な詳細な回路設計は次のとおりです。
 
   
 電流モードでのスロープ補償には技術的な困難があります。これは、デューティ サイクルが 50% を超える場合にスロープを安定させることを目的としています。私も表面的には理解していますが、興味のある学生は詳しく学ぶことができます。
  第三に、エラーアンプ
  エラーアンプの機能は、出力が定電流または定電圧であることを保証するためにフィードバック電圧をサンプリングすることです。 これにより、図に示すように、MOS チューブを駆動する PWM が調整されます。
 
   
 
  第四に、駆動回路
 最終駆動部の構造は非常にシンプルで、電流容量が大きい大面積のMOS管を採用しています。
 
   
 
  V.その他のモジュール回路
  ここでの他のモジュール回路は、チップが正常かつ確実に動作できるようにするためのものであり、原理の中核ではありませんが、チップの設計において重要な位置を占めています。具体的には、次のようないくつかの機能があります。
  1、開始モジュール   スタートアップモジュールの機能は当然ながら、チップの動作を開始することです。電源投入時には、すべてのトランジスタの電流がゼロで変化しない可能性があるため、動作できないからです。 回路を開始する機能は、「火を点けてから消す」ことに相当します。 図に示すように：電源投入時には、当然 S3 がオンになり、その後 S2 が M4 Q1 などをオンにすることができるため、M1 M2 がオンになります。右の定電流源回路は正常に動作し、S1がONするためS2がOFFとなり起動が完了します。 S1 S2 S3 がない場合、すべてのトランジスタの瞬時電流は 0 になります。
   
  2、過電圧保護モジュール OVP  入力電圧が高すぎる場合、損傷を避けるためにスイッチ管によって出力をオフにし、コンパレータによって保護ポイントを設定できることは容易に理解できます。  
   
  3、過熱保護モジュール OTP   温度保護は、異常な高温によるチップの損傷を防ぎます。原理は比較的単純です。トランジスタの温度特性を利用し、コンパレータにより保護点を設定して出力をオフします。
   
  4、過電流保護モジュールOCP  例えば出力がショートした場合、出力電流を検出して出力管の状態をフィードバック制御し、電流をオフしたり制限したりすることができます。 図に示すように、トランジスタの電流は面積に比例してサンプリングされます。一般にサンプリング管Q2の面積は出力管の面積のXNUMX分のXNUMXとなり、MOS管の駆動は電圧比較器によって制御されます。
   
他にもいくつかの補助モジュール設計があります  
  六。そして定電流源とカレントミラー。 
  IC 内部では、バイアス電流を通じて各トランジスタの動作状態を設定します。定電流源回路は全ての回路の要とも言え、バンドギャップリファレンスも製作されています。次に、カレントミラーを使用して各機能モジュールに電流を供給します。カレントミラーは、トランジスタの領域を流れる必要な電流を設定するために使用されます。これはミラーイメージと同様です。
 
   
  七、まとめる 
 

以上がおそらく DC/DC パワーチップ LM2675 の内部構造の全体であり、これまでのファー知識のおさらいでもあります。 もちろん、これは原理的には基本的な構造にすぎません。 製造プロセスはトランジスタの多くのパラメータと性能を決定するため、特定の設計では、多くのパラメータ特性、多くの解析とシミュレーションを考慮し、半導体プロセスパラメータを深く理解する必要があります。 私がやります。 欠陥があるか、まったく使用できない。 チップ全体の設計も複雑なシステムエンジニアリングであり、十分な理論的知識と実践的な経験が必要です。

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