電源IC制造商 電源IC應用電路和類(lèi)型介紹及行情趨勢 KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-04-12
作為一名電源研發(fā)工程師，自然經(jīng)常與各種芯片打交道，可能有的工程師對芯片的內部并不是很了解，不少同學(xué)在應用新的芯片時(shí)直接翻到Datasheet的應用頁(yè)面，按照推薦設計搭建外圍完事。如此一來(lái)即使應用沒(méi)有問(wèn)題，卻也忽略了更多的技術(shù)細節，對于自身的技術(shù)成長(cháng)并沒(méi)有積累到更好的經(jīng)驗。今天以一顆DC/DC降壓電源芯片LM2675為例，盡量詳細講解下一顆芯片的內部設計原理和結構，IC行業(yè)的同學(xué)隨便看看就好，歡迎指教！
打開(kāi)LM2675的DataSheet，首先看看框圖
這個(gè)圖包含了電源芯片的內部全部單元模塊，BUCK結構我們已經(jīng)很理解了，這個(gè)芯片的主要功能是實(shí)現對MOS管的驅動(dòng)，并通過(guò)FB腳檢測輸出狀態(tài)來(lái)形成環(huán)路控制PWM驅動(dòng)功率MOS管，實(shí)現穩壓或者恒流輸出。這是一個(gè)非同步模式電源，即續流器件為外部二極管，而不是內部MOS管。
下面咱們一起來(lái)分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現的
類(lèi)似于板級電路設計的基準電源，芯片內部基準電壓為芯片其他電路提供穩定的參考電壓。這個(gè)基準電壓要求高精度、穩定性好、溫漂小。芯片內部的參考電壓又被稱(chēng)為帶隙基準電壓，因為這個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱(chēng)為帶隙基準。這個(gè)值為1.2V左右，如下圖的一種結構：
這里要回到課本講公式，PN結的電流和電壓公式：
可以看出是指數關(guān)系，Is是反向飽和漏電流（即PN結因為少子漂移造成的漏電流）。這個(gè)電流和PN結的面積成正比！即Is->S。
如此就可以推導出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，所以推導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結面積之比！
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，所以推導出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN結面積之比！
這樣我們最后得到基準Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點(diǎn)：I1是正溫度系數的，而Vbe是負溫度系數的，再通過(guò)N值調節一下，可是實(shí)現很好的溫度補償！得到穩定的基準電壓。N一般業(yè)界按照8設計，要想實(shí)現零溫度系 數，根據公式推算出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(shí)現小于1V的基準，而且除了溫度系數還有電源紋波抑制PSRR等問(wèn)題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡(jiǎn)圖就是這樣，運放的設計當然也非常講究：
如圖溫度特性仿真：
我們知道開(kāi)關(guān)電源的基本原理是利用PWM方波來(lái)驅動(dòng)功率MOS管，那么自然需要產(chǎn)生振蕩的模塊，原理很簡(jiǎn)單，就是利用電容的充放電形成鋸齒波和比較器來(lái)生成占空比可調的方波。
最后詳細的電路設計圖是這樣的：
這里有個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是在電流模式下的斜坡補償，針對的是占空比大于50%時(shí)為了穩定斜坡，額外增加了補償斜坡，我也是粗淺了解，有興趣同學(xué)可詳細學(xué)習。
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(jìn)行采樣處理。從而來(lái)調節驅動(dòng)MOS管的PWM，如簡(jiǎn)圖：
最后的驅動(dòng)部分結構很簡(jiǎn)單，就是很大面積的MOS管，電流能力強。
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(shí)實(shí)在在的在芯片的設計中占據重要位置。
具體說(shuō)來(lái)有幾種功能：
1、啟動(dòng)模塊
啟動(dòng)模塊的作用自然是來(lái)啟動(dòng)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(méi)法工作。啟動(dòng)電路的作用就是相當于“點(diǎn)個(gè)火”，然后再關(guān)閉。如圖：
上電瞬間，S3自然是打開(kāi)的，然后S2打開(kāi)可以打開(kāi)M4 Q1等，就打開(kāi)了M1 M2，右邊恒流源電路正常工作，S1也打開(kāi)了，就把S2給關(guān)閉了，完成啟動(dòng)。如果沒(méi)有S1 S2 S3，瞬間所有晶體管電流為0。
2、過(guò)壓保護模塊OVP
很好理解，輸入電壓太高時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)管來(lái)關(guān)斷輸出，避免損壞，通過(guò)比較器可以設置一個(gè)保護點(diǎn)。
3、過(guò)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(jiǎn)單，利用晶體管的溫度特性然后通過(guò)比較器設置保護點(diǎn)來(lái)關(guān)斷輸出。
4、過(guò)流保護模塊OCP
在譬如輸出短路的情況下，通過(guò)檢測輸出電流來(lái)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(lái)采樣，一般采樣管Q2的面積會(huì )是輸出管面積的千分之一，然后通過(guò)電壓比較器來(lái)控制MOS管的驅動(dòng)。
還有一些其他輔助模塊設計。
在IC內部，如何來(lái)設置每一個(gè)晶體管的工作狀態(tài)，就是通過(guò)偏置電流，恒流源電路可以說(shuō)是所有電路的基石，帶隙基準也是因此產(chǎn)生的，然后通過(guò)電流鏡來(lái)為每一個(gè)功能模塊提供電流，電流鏡就是通過(guò)晶體管的面積來(lái)設置需要的電流大小，類(lèi)似鏡像。
七、小結
以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內部全部結構，也算是把以前的皮毛知識復習了一下。當然，這只是原理上的基本架構，具體設計時(shí)還要考慮非常多的參數特性，需要作大量的分析和仿真，而且必須要對半導體工藝參數有很深的理解，因為制造工藝決定了晶體管的很多參數和性能，一不小心出來(lái)的芯片就有缺陷甚至根本沒(méi)法應用。整個(gè)芯片設計也是一個(gè)比較復雜的系統工程，要求很好的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗。最后，學(xué)而時(shí)習之，不亦說(shuō)乎！
目前國內充電管理系統比較成熟，智能集成ic控制整個(gè)充電過(guò)程，執行鋰電池的涓流、恒流、恒壓三個(gè)階段充電功能。性能較穩定的型號有CT6551、CT6201、JW3816、JW6235等。
MCU是應用于PCB板上智能控制系統，可以在不充電輸出狀態(tài)下阻止電能流失，并避免設備在充電時(shí)受到不穩定的電流、電壓沖擊而損壞；可以對產(chǎn)品進(jìn)行充放電控制，提供充電保護、放電保護、溫度保護、漏電保護、過(guò)載保護、短路保護等多重保護，使產(chǎn)品性能更加安全穩定，使產(chǎn)品本身使用壽命更長(cháng)，同時(shí)也避免不穩定的輸出對手機造成傷害，解決了用戶(hù)的后顧之憂(yōu)。
自動(dòng)識別手機和多種數碼產(chǎn)品，支持各品牌智能手機及各類(lèi)平板電腦充電，兼容USB 5V輸入的其他數碼類(lèi)電子產(chǎn)品充電。目前比較常見(jiàn)的品牌及型號有聚泉、巨威、松翰，海爾HR6P61。
移動(dòng)電源電池的電壓為3.7V，而輸出電壓則是5.0V，電力需要經(jīng)過(guò)升壓電路才能輸出。在升壓的過(guò)程中因為電路上發(fā)熱損耗了部分電量，使實(shí)際輸出的電量和電池輸出的電量存在一定的差異，兩者的比值叫做移動(dòng)電源的轉換率。目前國內技術(shù)轉換效率高低不等，一般在75-85%.也有些實(shí)力較強的廠(chǎng)家采用成本較高的方案，自主研發(fā)電路設計，實(shí)際轉換率能達到90%以上，當然隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，這一轉換率會(huì )越來(lái)越高。也有將2節電池串聯(lián)成8.4V然后采取降壓方式的，效率能做到95%左右，但對電芯的一致性要求高，安全性比較低，一旦出故障容易燒壞用戶(hù)的手機等數碼產(chǎn)品，所以很少有廠(chǎng)家采用。
在所有的電子設備和產(chǎn)品中，都不乏電源管理IC的“身影”。隨著(zhù)數字高速I(mǎi)C技術(shù)和芯片制造工藝技術(shù)的共同高速發(fā)展，高性能電源IC“助陣”的作用顯得愈加重要。而日新月異的電子產(chǎn)品應用、環(huán)保綠色節能需求的興起也對電源IC提出了更高的要求，催生新一代高集成度、高性能和高能效電源管理IC的需求，亦成為電源管理IC廠(chǎng)商永恒的使命。
據市調機構iSuppli預計，2016年電源管理IC市場(chǎng)預計將達到387億美元，消費電子、網(wǎng)絡(luò )通信、移動(dòng)互聯(lián)領(lǐng)域都是主要的應用市場(chǎng)，汽車(chē)電子、新能源領(lǐng)域也逐漸發(fā)力。在應用驅動(dòng)和技術(shù)進(jìn)步的作用下，對電源IC的技術(shù)要求也不斷走高。而且隨著(zhù)應用的不斷創(chuàng )新，電源IC的市場(chǎng)也呈現出需求多樣化，應用細分化，更多高性能電源IC的市場(chǎng)需求也不斷深化以及擴展化，更好地為滿(mǎn)足系統創(chuàng )新，性能提升而服務(wù)。
一方面，伴隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)的不斷升級，PCB板上的芯片和元器件功能更高、運行速度更快、體積更小，驅使電源管理IC提供更低更精準的核電電壓以及更大的供電電流、更嚴格的電壓反饋精度、以及更高的效率性能。另一方面，電源管理IC應用領(lǐng)域不斷擴張和深入，實(shí)現更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路，更快速的動(dòng)態(tài)響應特性，更簡(jiǎn)化的外圍布局設計等都“不可或缺”。電源管理IC想要“拿得出手”，都需直面這些難題。
Altera電源業(yè)務(wù)部市場(chǎng)總監Mark Davidson表示，為了幫助客戶(hù)解決這些挑戰和簡(jiǎn)化設計，數字化、模塊化、智能化電源IC等已是必然之勢。
他舉例說(shuō)，就拿FPGA客戶(hù)來(lái)說(shuō)，電源管理已日益成為一個(gè)戰略性的競爭優(yōu)勢，特別是在通信、計算以及工業(yè)應用等領(lǐng)域。隨著(zhù)FPGA和SoC的不斷發(fā)展，設計人員在下一代嵌入式系統中增加了大量混合信號功能，實(shí)現了以前無(wú)法企及的系統級性能。如何給功能越來(lái)越多、性能越來(lái)越高、工藝越來(lái)越先進(jìn)的FPGA供電，確實(shí)是一個(gè)非常具有挑戰性的問(wèn)題。比如采用14nm工藝的FPGA會(huì )具有更高的性能，相應地也會(huì )需要更加高性能的電源與之匹配。而且14nm的FPGA對電源的要求更加苛刻，對電源精度的要求更高，如果電壓范圍超過(guò)了規范的要求，就有可能會(huì )使FPGA失效，甚至可能會(huì )燒壞。
這也意味著(zhù)，設計者必須要在嚴格的FPGA電源軌要求、系統功耗和散熱預算限制、構建魯棒而又可靠的系統、符合預算要求按時(shí)完成其項目、完全滿(mǎn)足其電路板和系統對功能和性能的要求之間找到最佳結合點(diǎn)，這殊非易事。
各大電源管理IC廠(chǎng)商為應對這一市場(chǎng)走勢，都在抓緊排兵布陣，而數字電源成為他們不遺余力的“招數”。憑借靈活、快速響應、高集成度以及高度可控的巨大優(yōu)勢，數字電源已顯示出強勁的發(fā)展勢頭。
據調研機構IHS公司旗下IMS Research的報告，預計2017年全球數字電源市場(chǎng)營(yíng)業(yè)收入將增至124億美元，數字電源IC市場(chǎng)將達到26億美元。數字電源市場(chǎng)以服務(wù)器和通信設備應用為主導，同時(shí)拓展至其他更多應用領(lǐng)域，或如星火燎原之勢。
POL轉換器一般為低電壓，大電流數字負載(如FPGA，微處理器，DSP及其它具有極高動(dòng)態(tài)特性的數字電路)提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節，同時(shí)利用純模擬控制技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足近200A/ns的負載瞬態(tài)要求變得越來(lái)越困難。有些數字控制器能夠提供在同類(lèi)模擬IC中難以實(shí)現的功能例如非線(xiàn)性控制。事實(shí)上，幾乎所有的POL數字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應的控制技術(shù)。這些專(zhuān)用控制算法構成了傳統模擬電源公司進(jìn)入數字電源開(kāi)發(fā)的門(mén)檻。電源如果在內部采用數字內核實(shí)現控制環(huán)路，可以滿(mǎn)足極為嚴苛的瞬態(tài)要求，實(shí)現極低的紋波電壓，以及在輸出電壓范圍內實(shí)現極高的精確穩壓。同時(shí)可以支持PMbus通信接口，可以 實(shí)現遠程精確的電流，電壓和溫度監控。
數字電源為電源設計領(lǐng)域注入了新的活力，同時(shí)也對電源管理IC廠(chǎng)商提出了更高的要求。據了解，一方面，電源管理IC廠(chǎng)商不僅要提供一系列的整合設計方案，而非單一元件，提供高中低端全系列產(chǎn)品;其次，他們也需要全套數字電源開(kāi)發(fā)工具，包括硬件和圖形介面(GUI);最后，獲得相關(guān)周邊元件如Power Train，才能創(chuàng )建完整解決方案。另一方面，數字電源IC廠(chǎng)商如果再“單打獨斗”的話(huà)，顯然已“力有不逮”。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，主芯片廠(chǎng)家諸如FPGA/ASSP/ASIC的技術(shù)日新月異，在性能不斷提升的同時(shí)對電源的要求也異常的嚴苛，而電源管理IC廠(chǎng)商不能再和以往一樣孤軍作戰，而是必須要和數字組芯片廠(chǎng)家協(xié)同作戰。電源IC廠(chǎng)商需要和主芯片廠(chǎng)商進(jìn)行有效地技術(shù)溝通，因為只有了解系統芯片的需求，電源IC的目標設計規格才顯得更有意義，這種為系統性能需求而定制的電源設計最終能為系統的功耗優(yōu)化做出巨大的貢獻。這種協(xié)作可助力電源管理IC廠(chǎng)商的產(chǎn)品更具競爭力，獲得更多的市場(chǎng)份額。
從近些年的市場(chǎng)并購來(lái)看，無(wú)疑都佐證了這一趨勢。高通收購了Summit， Mediatek收購Richtek，Microchip收購Micrel，Altera收購了Enpirion以及最近收購了德國創(chuàng )新型芯片公司ZMDI的數字電源控制器部門(mén)，道理其實(shí)一脈相承，業(yè)界都認可并執行類(lèi)似的策略
而收購一家電源企業(yè)的好處或遠比與電源企業(yè)合作來(lái)得“直接”。Mark Davidson對此表示，一般大型電源管理IC廠(chǎng)商的電源器件會(huì )有很多不同的應用領(lǐng)域，他們不會(huì )也不可能把全部的精力投入到FPGA領(lǐng)域，而Altera通過(guò)收購則會(huì )更加關(guān)注電源器件在FPGA方面的應用。他強調，收購Enpirion我們成為一個(gè)公司后，可以集合電源、FPGA系統工程以及電路板布局的專(zhuān)家，共同開(kāi)發(fā)出一個(gè)更好的解決方案。
受SoC化設計趨勢的影響，近年來(lái)電源管理IC技術(shù)表現出越來(lái)越強的模塊化趨勢。一方面，設備正變得越來(lái)越復雜，更多功能特性、更快更復雜處理器需要更先進(jìn)的電源管理解決方案，電源管理技術(shù)要在更小的硅芯片上集成更多功能同時(shí)以更高的設計靈活性實(shí)現更強的系統用電性能，這正在改變傳統的電源設計方法。另一方面，模塊化的電源管理IC可有效降低系統設計的復雜性，節約電路板空間，提高系統的長(cháng)期可靠性，同時(shí)也能有效降低系統成本，帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的。
因而，市場(chǎng)上的模塊化電源管理IC開(kāi)始不斷浮出水面。Altera日前就在其Enpirion電源解決方案中新增了一款30amp PowerSoC DC-DC降壓轉換器EM1130。這款被Altera視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數字DC-DC降壓轉換器系列的第一款產(chǎn)品，可為Altera的第10代FPGA提供電源管理功能。EM1130的“功力深厚”，引腳布局密度達業(yè)界最高，面積不到其他解決方案的一半，不僅可提供嚴格的高輸出穩壓和快速瞬時(shí)響應功能，并能夠遠程測量電流、電壓和溫度等關(guān)鍵參數。
張偉超介紹說(shuō)，集成的Enpirion電源單芯片系統最大的優(yōu)勢在于極大程度的提高了系統的可靠性和易用性，而模塊電源體積小、低EMI以及通過(guò)數字控制環(huán)路實(shí)現更快的負載瞬態(tài)響應和更低的噪聲，從而能夠更加智能化地適應平臺廠(chǎng)商對于降低系統功耗的最新需求同時(shí)提升性能的嚴苛挑戰，將經(jīng)驗證的Enpirion電源SoC解決方案與Altera的FPGA結合使用，客戶(hù)能夠在盡可能最小的電路板上完成他們的設計，同時(shí)還能最大程度地提高性能和降低功耗，加快產(chǎn)品上市、削減材料成本以及增強系統可靠性。
圖：Altera的Enpirion電源SoC解決方案與Arria 10 FPGA結合使用，大大降低功耗并提高系統性能。
此外，電源管理IC的模塊化趨勢還體現在與板上其他芯片的“集成化”上，市場(chǎng)上電源管理IC與主控芯片之間通信及監控等功能的集成化也在日益增多。張偉超提到，未來(lái)，Altera將會(huì )利用Enpirion公司在電源方面的技術(shù)，將某些電源模塊集成進(jìn)FPGA內部，使得系統電路板電路更加簡(jiǎn)潔，功耗和成本都得到優(yōu)化處理，并更加簡(jiǎn)化FPGA系統的開(kāi)發(fā)。
而電源管理IC的智能化亦是大勢使然，或才能主動(dòng)“配合”平臺主芯片的功能不斷升級的需求。張偉超介紹說(shuō)，隨著(zhù)系統功能越來(lái)越復雜，對能耗的要求越來(lái)越高，客戶(hù)對電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來(lái)越高，電源設計人員不再滿(mǎn)足于實(shí)時(shí)監控電流、電壓、溫度，還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個(gè)輸出電壓參數的要求。此外，電源管理IC必須和電路板上所需要供電的設備進(jìn)行有效地連接，因系統要求電源子系統和主系統之間更加實(shí)時(shí)的合作與配合，甚至要支持通過(guò)云端進(jìn)行的監控去管理，智能化的管理和調控已成必須。
如何去實(shí)現智能化?張偉超表示，這需要在兩個(gè)方面下工夫，一是電源管理IC要實(shí)現與內核通信，各部分之間可相互溝通交流，及時(shí)動(dòng)態(tài)的控制加上無(wú)縫的溝通可成就一個(gè)智能化的電源管理系統，能夠實(shí)時(shí)地對系統變化的供電需求進(jìn)行檢測分析和響應，從而大大提高系統的效率。二是內部參數可實(shí)現在線(xiàn)調整，這就意味著(zhù)電源的動(dòng)態(tài)特性是可變的，能順應負載在相當大的范圍內變化同時(shí)還能保證一定的性能，數字電源在這方面發(fā)揮重要作用，同時(shí)還需要不斷在控制算法、自適應方面實(shí)現突破。
Altera通過(guò)不斷創(chuàng )新，在這方面實(shí)現了新的進(jìn)展。不久前，Altera在亞太地區的14個(gè)城市舉辦2015年Altera技術(shù)日活動(dòng)，展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案。其中，Arria 10和Enpirion的數字PowerSoC相結合,實(shí)現了智能化的FPGA電源系統和最低的功耗。其具體特性包括以下幾個(gè)方面：
1. FPGA設計的所有電源供電要求會(huì )導致建立FPGA電源樹(shù)，不同資源要求有不同的上電順序，這對電源轉換器提出了更高要求。Enpirion器件具有“Power OK”或者“Power Good”引腳，支持對FPGA中不同資源的電源軌的分組排序，向系統控制器或者排序器件發(fā)出信號，某一FPGA輸入已經(jīng)接通電源，可以開(kāi)始下一排序步驟;
2. 另一常見(jiàn)的系統電源要求是能夠進(jìn)行遠程監視，對電源各參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監視、故障報警和相應調節。而最簡(jiǎn)單、最便宜、最緊湊的方式是使用集成了遠程監視功能和相應的通信總線(xiàn)的電源調節器。通過(guò)智能電壓ID(SmartVID)特性，Altera的Arria 10 FPGA和SoC通過(guò)PMBus接口，確定與Enpirion電壓調節器系統之間所需的VCC電壓和通信，將內核電壓軌盡可能動(dòng)態(tài)調整到最小，而不會(huì )犧牲系統性能。同時(shí)，支持PMBus的Enpirion的ED8101P0xQI單相數字控制器，與ET4040QI大電流電源配對使用，可實(shí)現對FPGA的多種遠程監視和低功耗特性。
FPGA電源供電設計有一些常見(jiàn)的要求。理解FPGA設計和應用怎樣影響功耗和電源供電要求會(huì )讓設計更清晰，更容易成功。Altera的Enpirion電源解決方案設計滿(mǎn)足了這些苛刻的FPGA電源要求。未來(lái)的電子系統功能將日益復雜、多樣和智能化，對電源管理系統的要求也越來(lái)越高。深入地理解各個(gè)系統的特性和供電需求，并順應數字化、模塊化和智能化的發(fā)展趨勢，才能夠為系統提供度身定制的“完美”供電保障。
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