DC/DC开关电源芯片内部电路设计原理和结构

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作为一名电源研发工程师，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。

LM2675-5.0的典型应用电路

打开LM2675的DataSheet，首先看看框图

电源芯片的内部全部单元模块

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。

基准电压结构

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：

电路设计简图

如图温度特性仿真：

温度特性仿真

二、震荡器OSC和PWM

我们知道开关电源的基本原理是利用PWM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。

精密电流充放电振荡器原理框架图

最后详细的电路设计图是这样的：

精密电流充放电振荡器电路图

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PWM，如简图：

电流控制模式

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。

驱动模块电路图

五、其它模块电路

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。

启动电路

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。

过压保护电路

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。

温度保护电路

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。

过流保护模块OCP

还有一些其他辅助模块设计。

曲率补偿的能隙基准

七、小结

以上大概就是一颗DC/DC电源芯片LM2675的内部全部结构，也算是把以前的皮毛知识复习了一下。当然，这只是原理上的基本架构，具体设计时还要考虑非常多的参数特性，需要作大量的分析和仿真，而且必须要对半导体工艺参数有很深的理解，因为制造工艺决定了晶体管的很多参数和性能，一不小心出来的芯片就有缺陷甚至根本没法应用。整个芯片设计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验。最后，学而时习之，不亦说乎！

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