Gedetailleerde uitleg van het interne ontwerpprincipe en structurele analyse van de chip

abstract

Als power supply R&D engineer kom ik uiteraard vaak in aanraking met diverse chips. Sommige ingenieurs zijn misschien niet bekend met de binnenkant van de chip. Veel studenten gaan bij het toepassen van nieuwe chips direct naar de toepassingspagina van de dataset en bouwen randapparatuur volgens het aanbevolen ontwerp. Dat is het. Op deze manier worden, zelfs als de applicatie in orde is, de technische details genegeerd en wordt er geen betere ervaring opgebouwd voor uw eigen technische groei. Vandaag de dag worden, met de DC/DC step-down voedingschip LM2675 als voorbeeld, het interne ontwerpprincipe en de structuur van de volgende chips in detail uitgelegd.  
 Typisch toepassingscircuit van LM2675-5.0  
   
  Open de DataSheet van LM2675, bekijk eerst het blokdiagram.
   
 Dit diagram bevat alle interne eenheidsmodules van de voedingschip. We hebben de BUCK-structuur goed begrepen. De belangrijkste functie van deze chip is het aansturen van de MOS-transistor en het vormen van een lusgestuurde PWM-aandrijfvermogen-MOS-transistor door de uitgangsstatus van de FB-pin te detecteren, om een stabiele spanning of constante stroomuitvoer te bereiken. Dit is een asynchrone voeding, dat wil zeggen dat het vrijloopmechanisme een externe diode is en geen interne MOS-buis.Laten we analyseren hoe elke functie wordt gerealiseerd.
  Ten eerste,referentiespanning  
  Vergelijkbaar met de referentievoeding van circuitontwerp op bordniveau, biedt de interne referentiespanning van de chip een stabiele referentiespanning voor andere circuits van de chip. Deze referentiespanning vereist hoge nauwkeurigheid, goede stabiliteit en een kleine temperatuurafwijking. De referentiespanning in de chip wordt ook wel bandgap-referentiespanning genoemd, omdat deze spanning dicht bij de bandgap-spanning van silicium ligt en daarom bandgap-referentie wordt genoemd. Deze waarde is ongeveer 1.2 V, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:
 
   
  Laten we teruggaan naar het leerboek en praten over de formule, de stroom- en spanningsformule van PN-overgang:  
   
  Het is duidelijk dat dit exponentieel is, en dat IS een omgekeerde verzadigde lekstroom is (dwz lekstroom van de PN-overgang veroorzaakt door drift van minderheidsdragers). Deze stroom is evenredig met het oppervlak van de PN-overgang! Is->S ..Op deze manier kan Vbe=VT*ln(Ic/Is) worden afgeleid!Terug naar de figuur hierboven, volgens de operationele versterkeranalyse, VX=VY, dan is het I1*R1+Vbe1=Vbe2, dus we kunnen krijgen: I1=△Vbe/R1, en omdat de poortspanningen van M3 en M4 zijn hetzelfde, de stroom I1=I2, dus de formule wordt afgeleid: I1=I2=VT*ln(N/R1) N is de verhouding van de PN-overgangsgebieden van Q1 en Q2!Terug naar de figuur hierboven, volgens de operationele versterkeranalyse, VX=VY, dan is het I1*R1+Vbe1=Vbe2, dus we kunnen krijgen: I1=△Vbe/R1, en omdat de poortspanningen van M3 en M4 zijn hetzelfde, de stroom I1=I2, dus de formule wordt afgeleid: I1=I2=VT*ln(N/R1) N is de verhouding van de PN-overgangsgebieden van Q1 en Q2!Op deze manier krijgen we uiteindelijk de benchmark Vref=I2*R2+Vbe2. Het belangrijkste punt is dat I1 een positieve temperatuurcoëfficiënt is, terwijl Vbe een negatieve temperatuurcoëfficiënt is. Na het aanpassen van de waarde van N kan een goede temperatuurcompensatie worden bereikt! En er wordt een stabiele referentiespanning verkregen. Over het algemeen ontwerpt de industrie volgens 8. Om een temperatuurcoëfficiënt van nul te bereiken, wordt Vref=Vbe2+17.2*VT berekend volgens de formule, dus het is ongeveer 1.2V. Momenteel kan de benchmark van minder dan 1V worden bereikt in het laagspanningsveld. Naast de temperatuurcoëfficiënt zijn er problemen zoals PSRR-onderdrukking van de voedingsrimpel, enz., die vanwege het niveau niet kunnen worden verdiept. Het laatste diagram ziet er als volgt uit, en het ontwerp van de operationele versterker is natuurlijk heel bijzonder:
   
  Zoals weergegeven in de figuur temperatuurkarakteristieksimulatie:  
   
  II.Oscillator OSC en PWM
 
We weten dat het basisprincipe van schakelende voeding het gebruik van PWM-blokgolf is om de MOS-transistor aan te sturen, dus we hebben natuurlijk een module nodig die oscillatie genereert. Het principe is heel eenvoudig, dat wil zeggen dat de condensator wordt opgeladen en ontladen om een zaagtandgolf te vormen en dat de comparator wordt gebruikt om een blokgolf met een instelbare werkverhouding te genereren.
 
   
Het uiteindelijke gedetailleerde circuitontwerp is als volgt:
 
   
 Er is een technisch probleem bij de hellingscompensatie in de huidige modus, die gericht is op het stabiliseren van de helling wanneer de inschakelduur groter is dan 50%. Ik heb ook een oppervlakkig begrip, en geïnteresseerde studenten kunnen het in detail bestuderen.
  III.Fout versterker
  De functie van de foutversterker is het bemonsteren van de feedbackspanning om de constante uitgangsstroom of constante spanning te garanderen. Daarbij wordt de PWM van het aansturen van de MOS-buis aangepast, zoals weergegeven in het diagram:
 
   
 
  IV.aandrijfcircuit
 De structuur van het laatste aandrijfgedeelte is heel eenvoudig, dat wil zeggen een MOS-buis met een groot oppervlak en een sterke stroomcapaciteit.
 
   
 
  Ten vijfde,Andere modulecircuits
  De andere modulecircuits moeten ervoor zorgen dat de chip normaal en betrouwbaar kan werken, hoewel ze niet de kern van het principe vormen, maar wel een belangrijke positie innemen in het ontwerp van de chip.Concreet heeft het verschillende functies:
  1,Startmodule   De functie van de opstartmodule is uiteraard om de chip aan het werk te krijgen, omdat het op het moment van inschakelen mogelijk is dat alle transistorstromen nul zijn en onveranderd blijven, waardoor hij niet kan werken. De functie van het starten van het circuit is gelijk aan het "aansteken van een vuur" en het vervolgens uitschakelen ervan. Zoals weergegeven in de afbeelding:Op het moment van inschakelen wordt S3 natuurlijk ingeschakeld, en vervolgens kan S2 M4 Q1 inschakelen, enz., dus M1 M2 is ingeschakeld. Het constante stroombroncircuit aan de rechterkant werkt normaal en S1 is ingeschakeld, dus S2 is uitgeschakeld en het opstarten is voltooid. Als er geen S1 S2 S3 is, is de momentane stroom van alle transistors 0.
   
  2,Overspanningsbeveiligingsmodule OVP  Het is gemakkelijk te begrijpen dat wanneer de ingangsspanning te hoog is, de uitgang kan worden uitgeschakeld door de schakelbuis om schade te voorkomen, en dat er een beveiligingspunt kan worden ingesteld door de comparator.  
   
  3,Oververhittingsbeveiligingsmodule OTP   Temperatuurbescherming is bedoeld om te voorkomen dat de chip wordt beschadigd door abnormaal hoge temperaturen. Het principe is relatief eenvoudig. De uitgang wordt uitgeschakeld door gebruik te maken van de temperatuurkarakteristieken van de transistor en vervolgens het beveiligingspunt in te stellen via de comparator
   
  4,Overstroombeveiligingsmodule OCP  Wanneer de uitgang bijvoorbeeld wordt kortgesloten, kan de toestand van de uitgangsbuis door feedback worden geregeld door de uitgangsstroom te detecteren, en kan de stroom worden uitgeschakeld of beperkt. Zoals weergegeven in de figuur, wordt de stroom van de transistor bemonsterd in verhouding tot het gebied. In het algemeen zal het oppervlak van de bemonsteringsbuis Q2 een duizendste zijn van het oppervlak van de uitgangsbuis, en vervolgens wordt de aansturing van de MOS-buis bestuurd door de spanningsvergelijker.
   
Er zijn nog enkele andere ontwerpen voor hulpmodules  
  VI.En constante stroombron en stroomspiegel. 
  Binnen het IC wordt de werkstatus van elke transistor ingesteld via biasstroom. Er kan worden gezegd dat het broncircuit met constante stroom de hoeksteen is van alle circuits, en er wordt ook bandafstandreferentie geproduceerd. Vervolgens wordt een stroomspiegel gebruikt om stroom te leveren voor elke functionele module. De stroomspiegel wordt gebruikt om de vereiste stroom door het gebied van de transistor in te stellen, wat vergelijkbaar is met het spiegelbeeld.
 
   
  七,samenvatten 
 

Het bovenstaande is waarschijnlijk de hele interne structuur van de DC/DC-stroomchip LM2675, en het is ook een overzicht van de eerdere vachtkennis. Uiteraard is dit in principe slechts de basisstructuur. Een specifiek ontwerp moet rekening houden met veel parameterkarakteristieken, veel analyse en simulatie, en een diep begrip van procesparameters van halfgeleiders, omdat het productieproces veel parameters en prestaties van transistors bepaalt. Ik doe. Defect of volledig onbruikbaar. Het hele chipontwerp is bovendien een ingewikkelde systeemtechniek, waarvoor goede theoretische kennis en praktische ervaring vereist zijn.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen van "ittbank". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.

Bedrijf Tel: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 332496225 Manager Qiu
Adres: Kamer 809, Blok C, Zhantao Technology Building, No.1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen