開關(guān)電源概述
開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
開關(guān)電源工作原理
對于熱愛電源物理的人來所,其實還是很好理解開關(guān)電源工作原理的,在線性電源中,功率晶體管在工作,而線性電源中導(dǎo)致閉合或者是斷開的則是PWM開關(guān)電源,在閉合、斷開兩種的狀態(tài)之下,加上功率晶體管的電壓是比較小的,就會成產(chǎn)很大的電流,關(guān)閉開關(guān)電源的時候,則是反過來的,電壓大,而電流就會特別的小,而控制開關(guān)電源工作原理的控制器,就是為了能夠更好的保持穩(wěn)定性,從而給人們的生活環(huán)境帶來安全。
開關(guān)電源工作原理及工作條件
除了以上講述的開關(guān)電源工作原理之外,而開關(guān)電源工作原理在運行的時候,開關(guān)電源也是一定的工作條件的,比如開關(guān),在工作的時候,不是線性狀態(tài),而是在電子電器工作之下呈現(xiàn)開關(guān)狀態(tài);另外,直流,開關(guān)電源在工作時候,是直流,不是交流;最后一個開關(guān)電源的高頻,在電子電器工作狀態(tài)之下,是高頻, 而不是接近于工作的低頻狀態(tài)哦!在開關(guān)電源工作原理中,這些工作條件是一定的。
開關(guān)電源IC內(nèi)部電路解析
LM2675-5.0的典型應(yīng)用電路
打開LM2675的DataSheet,首先看看框圖
這個圖包含了電源芯片的內(nèi)部全部單元模塊,BUCK結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)很理解了,這個芯片的主要功能是實現(xiàn)對MOS管的驅(qū)動,并通過FB腳檢測輸出狀態(tài)來形成環(huán)路控制PWM驅(qū)動功率MOS管,實現(xiàn)穩(wěn)壓或者恒流輸出。這是一個非同步模式電源,即續(xù)流器件為外部二極管,而不是內(nèi)部MOS管。
接下來分析各個功能是怎么實現(xiàn)的
(一)基準電壓
類似于板級電路設(shè)計的基準電源,芯片內(nèi)部基準電壓為芯片其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。這個基準電壓要求高精度、穩(wěn)定性好、溫漂小。芯片內(nèi)部的參考電壓又被稱為帶隙基準電壓,因為這個電壓值和硅的帶隙電壓相近,因此被稱為帶隙基準。這個值為1.2V左右,如下圖的一種結(jié)構(gòu):
這里要回到課本講公式,PN結(jié)的電流和電壓公式:
可以看出是指數(shù)關(guān)系,Is是反向飽和漏電流(即PN結(jié)因為少子漂移造成的漏電流)。這個電流和PN結(jié)的面積成正比!即Is->S。
如此就可以推導(dǎo)出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !
回到上圖,由運放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,這樣可得:I1=△Vbe/R1,而且因為M3和M4的柵極電壓相同,因此電流I1=I2,所以推導(dǎo)出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結(jié)面積之比!
回到上圖,由運放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,這樣可得:I1=△Vbe/R1,而且因為M3和M4的柵極電壓相同,因此電流I1=I2,所以推導(dǎo)出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結(jié)面積之比!
這樣我們最后得到基準Vref=I2*R2+Vbe2,關(guān)鍵點:I1是正溫度系數(shù)的,而Vbe是負溫度系數(shù)的,再通過N值調(diào)節(jié)一下,可是實現(xiàn)很好的溫度補償!得到穩(wěn)定的基準電壓。N一般業(yè)界按照8設(shè)計,要想實現(xiàn)零溫度系 數(shù),根據(jù)公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT,所以大概在1.2V左右的,目前在低壓領(lǐng)域可以實現(xiàn)小于1V的基準,而且除了溫度系數(shù)還有電源紋波抑制PSRR等問題,限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡圖就是這樣,運放的設(shè)計當然也非常講究:
如圖溫度特性仿真:
(二)振蕩器OSC和PWM
我們知道開關(guān)電源的基本原理是利用PWM方波來驅(qū)動功率MOS管,那么自然需要產(chǎn)生振蕩的模塊,原理很簡單,就是利用電容的充放電形成鋸齒波和比較器來生成占空比可調(diào)的方波。
最后詳細的電路設(shè)計圖是這樣的:
這里有個技術(shù)難點是在電流模式下的斜坡補償,針對的是占空比大于50%時為了穩(wěn)定斜坡,額外增加了補償斜坡。
(三)誤差放大器
誤差放大器的作用是為了保證輸出恒流或者恒壓,對反饋電壓進行采樣處理。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動MOS管的PWM,如簡圖:
(四)驅(qū)動電路
最后的驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)很簡單,就是很大面積的MOS管,電流能力強。
(五)其他模塊電路
這里的其他模塊電路是為了保證芯片能夠正常和可靠的工作,雖然不是原理的核心,卻實實在在的在芯片的設(shè)計中占據(jù)重要位置。
具體說來有幾種功能:
1、啟動模塊
啟動模塊的作用自然是來啟動芯片工作的,因為上電瞬間有可能所有晶體管電流為0并維持不變,這樣沒法工作。啟動電路的作用就是相當于“點個火”,然后再關(guān)閉。如圖:
上電瞬間,S3自然是打開的,然后S2打開可以打開M4 Q1等,就打開了M1 M2,右邊恒流源電路正常工作,S1也打開了,就把S2給關(guān)閉了,完成啟動。如果沒有S1 S2 S3,瞬間所有晶體管電流為0。
2、過壓保護模塊OVP
很好理解,輸入電壓太高時,通過開關(guān)管來關(guān)斷輸出,避免損壞,通過比較器可以設(shè)置一個保護點。
3、過溫保護模塊OTP
溫度保護是為了防止芯片異常高溫損壞,原理比較簡單,利用晶體管的溫度特性然后通過比較器設(shè)置保護點來關(guān)斷輸出。
4、過流保護模塊OCP
在譬如輸出短路的情況下,通過檢測輸出電流來反饋控制輸出管的狀態(tài),可以關(guān)斷或者限流。如圖的電流采樣,利用晶體管的電流和面積成正比來采樣,一般采樣管Q2的面積會是輸出管面積的千分之一,然后通過電壓比較器來控制MOS管的驅(qū)動。
還有一些其他輔助模塊設(shè)計。
(六)恒流源和電流鏡
在IC內(nèi)部,如何來設(shè)置每一個晶體管的工作狀態(tài),就是通過偏置電流,恒流源電路可以說是所有電路的基石,帶隙基準也是因此產(chǎn)生的,然后通過電流鏡來為每一個功能模塊提供電流,電流鏡就是通過晶體管的面積來設(shè)置需要的電流大小,類似鏡像。
總結(jié)
以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內(nèi)部全部結(jié)構(gòu),也算是把以前的皮毛知識復(fù)習(xí)了一下。當然,這只是原理上的基本架構(gòu),具體設(shè)計時還要考慮非常多的參數(shù)特性,需要作大量的分析和仿真,而且必須要對半導(dǎo)體工藝參數(shù)有很深的理解,因為制造工藝決定了晶體管的很多參數(shù)和性能,一不小心出來的芯片就有缺陷甚至根本沒法應(yīng)用。
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