Donanım geliştiricilere giden yol - bir güç yongasının dahili tasarımı hakkında konuşun
Bu makale EETOP blogundan geliyor
Blogger: Sınır Tanımayan Walker
Orijinal adres:
Daha fazla butik günlük görüntülemek için bağlantıyı kopyalayabilir ve web sitesini açabilirsiniz:
Bir donanım mühendisi olarak doğal olarak çeşitli yongalarla uğraşıyorum.Bazı öğrenciler yonganın içini çok iyi bilmeyebilir.Çoğu öğrenci yeni bir yonga uygularken doğrudan Veri Sayfasının uygulama sayfasına döner ve çevreyi önerilen tasarıma göre oluşturur. . Bu sayede uygulamada herhangi bir sorun olmasa bile daha fazla teknik detay göz ardı edilmekte ve kendi teknolojik büyümesi için daha iyi bir deneyim biriktirilmemiştir. Kısa bir süre IC tasarımıyla uğraşan ve bir çip olarak kabul edilen bir donanım mühendisi olarak, bugün bir sonraki çipin iç tasarım ilkesini ve yapısını ayrıntılı olarak açıklamak için örnek olarak bir DC / DC düşürme güç çipi alıyorum. IC endüstrisindeki sınıf arkadaşları Sadece bir göz atın, tavsiye vermeye hoş geldiniz!
Bu, bir motor sürücü çipinin dahili düzenidir (PCB'nin LayOut'u gibi) Renk, farklı malzeme yapılarına göre boyanır.
Çipin iç yapısının PCB tasarımı ile aynı olduğu görülebilmektedir.Modül yapısı düzeni net ve nettir.Sonra, yonganın iç devre şemasının nasıl tasarlandığına ve kart ile kartın devre tasarımı arasındaki benzerlik ve farklılıklara bir göz atalım. Örnek olarak TI'nin ortak LM2675 yongasını alın, DataSheet'i açın, önce blok şemasına bakın:
Bu resim, güç çipinin tüm dahili ünite modüllerini içerir. BUCK yapısını zaten anladık.Bu çipin ana işlevi, MOS tüpünü sürmek ve bir döngü kontrolü PWM sürücü gücü MOS tüpü oluşturmak için çıkış durumunu tespit etmek için FB pini aracılığıyla , Voltaj regülasyonu veya sabit akım çıkışı elde etmek için. Bu, asenkron mod güç kaynağıdır, yani serbest devinim cihazı, dahili bir MOS tüpü yerine harici bir diyottur.
1. Referans voltajı
Kart düzeyinde devre tasarımı için referans güç kaynağına benzer şekilde, çipin dahili referans voltajı, çipin diğer devreleri için sabit bir referans voltajı sağlar. Bu referans voltajı yüksek doğruluk, iyi stabilite ve düşük sıcaklık sapması gerektirir. Çipin içindeki referans voltaj da denir Bant aralığı referans voltajı Bu voltaj değeri, silikonun bant aralığı voltajına benzer olduğu için denir. Bant boşluğu referansı . Bu değer, aşağıda gösterildiği gibi yaklaşık 1.2V'dur:
Burada, PN bağlantısının formülü, akım ve voltaj formülü hakkında konuşmak için ders kitabına döneceğiz:
Üstel bir ilişki olduğu görülebilir, Dır-dir Ters doygunluk kaçak akımıdır (yani, azınlık taşıyıcı kayması nedeniyle PN bağlantısının kaçak akımı). Bu akım PN bağlantısının alanıyla orantılıdır! Yani ... > S.
Böylece çıkarılabilir Vbe = VT * ln (Ic / Is)!
Operatör tarafından analiz edilen yukarıdaki resme geri dönün VX = VY , Sonra I1 * R1 + Vbe1 = Vbe2 , Böylece şunları elde edebilirsiniz: I1 = Vbe / R1 Ve M3 ve M4'ün geçit voltajları aynı olduğundan, akım I1 = I2 Yani formül türetilmiştir: I1 = I2 = VT * ln (N / R1 ) N, Q1'in PN bağlantı alanının Q2'ye oranıdır!
Böylece nihayet ölçütü aldık Vref = I2 * R2 + Vbe2 ,kilit nokta: I1 pozitif bir sıcaklık katsayısına sahipken, Vbe negatif bir sıcaklık katsayısına sahiptir.İyi bir sıcaklık kompanzasyonu elde etmek için N değerini ayarlayın. ! Kararlı bir referans voltajı elde edin. N Genel olarak endüstri 8'e göre tasarlanır. Sıfır sıcaklık katsayısına ulaşmak istiyorsanız, aşağıdaki formüle göre hesaplayın. Vref = Vbe2 + 17,2 * VT Yani yaklaşık 1.2V. Şu anda, düşük voltaj alanında 1V'den daha düşük bir kıyaslama elde etmek mümkündür ve sıcaklık katsayısına ek olarak, seviye ile sınırlı olan güç kaynağı dalgalanma bastırma PSRR gibi sorunlar vardır. Son taslak şu şekildedir ve op amfinin tasarımı elbette çok özeldir:
Sıcaklık karakteristiği simülasyonunda gösterildiği gibi:
2. Osilatör OSC ve PWM
Anahtarlamalı bir güç kaynağının temel prensibinin bir güç MOS tüpünü sürmek için bir PWM kare dalga kullanmak olduğunu biliyoruz, bu nedenle doğal olarak bir salınım oluşturan bir modüle ihtiyaç vardır. Prensip çok basittir, bir testere dişi dalgası oluşturmak için kapasitörün şarj ve deşarjını ve ayarlanabilir bir görev döngüsü oluşturmak için bir karşılaştırıcı kullanmak Kare dalgası.
Son detaylı devre tasarım şeması şu şekildedir:
Burada teknik bir zorluk mevcut moddaki eğim dengelemesidir.Görev döngüsü% 50'den büyük olduğunda eğimi dengelemek amacıyla ek bir dengeleme eğimi eklenir.Ayrıca kabaca bir anlayışım var ve ilgilenen öğrenciler detaylı olarak öğrenebilirler.
Üç, hata yükseltici
Hata amplifikatörünün işlevi, çıkış sabit akımını veya sabit voltajı sağlamak ve geri besleme voltajını örneklemektir. Şemada gösterildiği gibi, MOS tüpünü çalıştıran PWM'yi ayarlamak için:
dört , Sürücü devresi
Son sürüş kısmı, güçlü akım kapasitesine sahip geniş alanlı bir MOS tüpü olan çok basit bir yapıya sahiptir.
Beşler , Diğer modül devreleri
Buradaki diğer modül devreleri, çipin normal ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamak içindir, prensibin özü olmasa da, çipin tasarımında önemli bir yere sahiptir.
Spesifik olarak, birkaç işlev vardır:
1. Modülü başlatın
Başlangıç modülünün işlevi doğal olarak çipin çalışmasını başlatmaktır, çünkü tüm transistörlerin akımı 0 olabilir ve açılış anında değişmeden kalabilir, bu nedenle çalışamaz. Devreyi başlatma işlevi "ateş yakmak" ve ardından kapatmakla eşdeğerdir. Gosterildigi gibi:
Açılış anında S3 doğal olarak açılır ve ardından S2 açılarak M4, Q1 vb. Açılır, ardından M1 ve M2 açılır, sağdaki sabit akım kaynağı devresi normal çalışır, S1 de açılır ve S2 kapatılarak başlatma tamamlanır. S1 S2 S3 yoksa, şu anda tüm transistörlerin akımı 0 olacaktır.
2. Aşırı gerilim koruma modülü OVP
Giriş voltajı çok yüksek olduğunda, hasarı önlemek için çıkışın anahtar tüpü tarafından kapatıldığı ve komparatör aracılığıyla bir koruma noktasının ayarlanabileceği iyi anlaşılmıştır.
3. Aşırı sıcaklık koruma modülü OTP
Sıcaklık koruması, çipin anormal yüksek sıcaklıktan zarar görmesini önlemektir.İlke nispeten basittir.Transistörün sıcaklık özelliklerini kullanır ve ardından çıkışı kapatmak için bir karşılaştırıcı aracılığıyla bir koruma noktası belirler.
4. Aşırı akım koruma modülü OCP
Örneğin, bir çıkış kısa devresi durumunda, çıkış tüpünün durumu geri beslenebilir ve kapatılabilen veya akım sınırlandırılabilen çıkış akımını tespit ederek kontrol edilebilir. Akım örneklemesinde gösterildiği gibi, transistörün akımı, örnekleme alanıyla orantılıdır.Genel olarak, örnekleme tüpünün (Q2) alanı, çıkış tüpünün alanının binde biri olacaktır ve daha sonra, MOS tüpünün sürüşünü kontrol etmek için voltaj karşılaştırıcısı kullanılır.
Başka yardımcı modül tasarımları da var.
Altı, sabit akım kaynağı ve akım aynası
IC'de, her bir transistörün çalışma durumunun nasıl ayarlanacağı ön gerilim akımından geçer.Sabit akım kaynağı devresinin tüm devrelerin temel taşı olduğu söylenebilir.Bunun için bant aralığı referansı da üretilir ve ardından her fonksiyonel modül için akım aynası kullanılır. Akım sağlamak için, akım aynası, aynalamaya benzer şekilde transistör alanı boyunca gerekli akımı ayarlamaktır.
Yedi, özet
Yukarıdakiler muhtemelen bir DC / DC güç yongasının tüm dahili yapısıdır ve önceki kürk bilgilerinin bir incelemesi olarak kabul edilebilir. Tabii ki, bu sadece prensipte temel yapıdır.Özel tasarımda birçok parametre özelliği dikkate alınmalıdır, çok sayıda analiz ve simülasyon gereklidir ve yarı iletken proses parametrelerinin derinlemesine anlaşılması gereklidir, çünkü üretim süreci transistörün değerini belirler. Birçok parametre ve performans, yanlışlıkla üretilen yongalar kusurludur ve hatta hiç kullanılamaz. Tüm çip tasarımı aynı zamanda nispeten karmaşık bir sistem mühendisliğidir ve iyi teorik bilgi ve pratik deneyim gerektirir. Son olarak, zaman zaman öğrenin, bahsetmeye bile gerek yok!
