電源IC制造商 電源IC應(yīng)用電路和類型介紹及行情趨勢 KIA MOS管
信息來源：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(nèi)部并不是很了解，不少同學(xué)在應(yīng)用新的芯片時直接翻到Datasheet的應(yīng)用頁面，按照推薦設(shè)計搭建外圍完事。如此一來即使應(yīng)用沒有問題，卻也忽略了更多的技術(shù)細節(jié)，對于自身的技術(shù)成長并沒有積累到更好的經(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(nèi)部設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，IC行業(yè)的同學(xué)隨便看看就好，歡迎指教！
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。
下面咱們一起來分析各個功能是怎么實現(xiàn)的
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(dāng)然也非常講究：
如圖溫度特性仿真：
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，我也是粗淺了解，有興趣同學(xué)可詳細學(xué)習(xí)。
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：
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。
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(dāng)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。
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。
七、小結(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(dāng)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。整個芯片設(shè)計也是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求很好的理論知識和實踐經(jīng)驗。最后，學(xué)而時習(xí)之，不亦說乎！
目前國內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，智能集成ic控制整個充電過程，執(zhí)行鋰電池的涓流、恒流、恒壓三個階段充電功能。性能較穩(wěn)定的型號有CT6551、CT6201、JW3816、JW6235等。
MCU是應(yīng)用于PCB板上智能控制系統(tǒng)，可以在不充電輸出狀態(tài)下阻止電能流失，并避免設(shè)備在充電時受到不穩(wěn)定的電流、電壓沖擊而損壞；可以對產(chǎn)品進行充放電控制，提供充電保護、放電保護、溫度保護、漏電保護、過載保護、短路保護等多重保護，使產(chǎn)品性能更加安全穩(wěn)定，使產(chǎn)品本身使用壽命更長，同時也避免不穩(wěn)定的輸出對手機造成傷害，解決了用戶的后顧之憂。
自動識別手機和多種數(shù)碼產(chǎn)品，支持各品牌智能手機及各類平板電腦充電，兼容USB 5V輸入的其他數(shù)碼類電子產(chǎn)品充電。目前比較常見的品牌及型號有聚泉、巨威、松翰，海爾HR6P61。
移動電源電池的電壓為3.7V，而輸出電壓則是5.0V，電力需要經(jīng)過升壓電路才能輸出。在升壓的過程中因為電路上發(fā)熱損耗了部分電量，使實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電源的轉(zhuǎn)換率。目前國內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率高低不等，一般在75-85%.也有些實力較強的廠家采用成本較高的方案，自主研發(fā)電路設(shè)計，實際轉(zhuǎn)換率能達到90%以上，當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，這一轉(zhuǎn)換率會越來越高。也有將2節(jié)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的手機等數(shù)碼產(chǎn)品，所以很少有廠家采用。
在所有的電子設(shè)備和產(chǎn)品中，都不乏電源管理IC的“身影”。隨著數(shù)字高速IC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(yīng)用、環(huán)保綠色節(jié)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廠商永恒的使命。
據(jù)市調(diào)機構(gòu)iSuppli預(yù)計，2016年電源管理IC市場預(yù)計將達到387億美元，消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、移動互聯(lián)領(lǐng)域都是主要的應(yīng)用市場，汽車電子、新能源領(lǐng)域也逐漸發(fā)力。在應(yīng)用驅(qū)動和技術(shù)進步的作用下，對電源IC的技術(shù)要求也不斷走高。而且隨著應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，電源IC的市場也呈現(xiàn)出需求多樣化，應(yīng)用細分化，更多高性能電源IC的市場需求也不斷深化以及擴展化，更好地為滿足系統(tǒng)創(chuàng)新，性能提升而服務(wù)。
一方面，伴隨著半導(dǎo)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(qū)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(yīng)用領(lǐng)域不斷擴張和深入，實現(xiàn)更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路，更快速的動態(tài)響應(yīng)特性，更簡化的外圍布局設(shè)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)部市場總監(jiān)Mark Davidson表示，為了幫助客戶解決這些挑戰(zhàn)和簡化設(shè)計，數(shù)字化、模塊化、智能化電源IC等已是必然之勢。
他舉例說，就拿FPGA客戶來說，電源管理已日益成為一個戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢，特別是在通信、計算以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著FPGA和SoC的不斷發(fā)展，設(shè)計人員在下一代嵌入式系統(tǒng)中增加了大量混合信號功能，實現(xiàn)了以前無法企及的系統(tǒng)級性能。如何給功能越來越多、性能越來越高、工藝越來越先進的FPGA供電，確實是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。比如采用14nm工藝的FPGA會具有更高的性能，相應(yīng)地也會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，如果電壓范圍超過了規(guī)范的要求，就有可能會使FPGA失效，甚至可能會燒壞。
這也意味著，設(shè)計者必須要在嚴格的FPGA電源軌要求、系統(tǒng)功耗和散熱預(yù)算限制、構(gòu)建魯棒而又可靠的系統(tǒng)、符合預(yù)算要求按時完成其項目、完全滿足其電路板和系統(tǒng)對功能和性能的要求之間找到最佳結(jié)合點，這殊非易事。
各大電源管理IC廠商為應(yīng)對這一市場走勢，都在抓緊排兵布陣，而數(shù)字電源成為他們不遺余力的“招數(shù)”。憑借靈活、快速響應(yīng)、高集成度以及高度可控的巨大優(yōu)勢，數(shù)字電源已顯示出強勁的發(fā)展勢頭。
據(jù)調(diào)研機構(gòu)IHS公司旗下IMS Research的報告，預(yù)計2017年全球數(shù)字電源市場營業(yè)收入將增至124億美元，數(shù)字電源IC市場將達到26億美元。數(shù)字電源市場以服務(wù)器和通信設(shè)備應(yīng)用為主導(dǎo)，同時拓展至其他更多應(yīng)用領(lǐng)域，或如星火燎原之勢。
POL轉(zhuǎn)換器一般為低電壓，大電流數(shù)字負載(如FPGA，微處理器，DSP及其它具有極高動態(tài)特性的數(shù)字電路)提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調(diào)節(jié)，同時利用純模擬控制技術(shù)來滿足近200A/ns的負載瞬態(tài)要求變得越來越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實現(xiàn)的功能例如非線性控制。事實上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應(yīng)的控制技術(shù)。這些專用控制算法構(gòu)成了傳統(tǒng)模擬電源公司進入數(shù)字電源開發(fā)的門檻。電源如果在內(nèi)部采用數(shù)字內(nèi)核實現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴苛的瞬態(tài)要求，實現(xiàn)極低的紋波電壓，以及在輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓。同時可以支持PMbus通信接口，可以 實現(xiàn)遠程精確的電流，電壓和溫度監(jiān)控。
數(shù)字電源為電源設(shè)計領(lǐng)域注入了新的活力，同時也對電源管理IC廠商提出了更高的要求。據(jù)了解，一方面，電源管理IC廠商不僅要提供一系列的整合設(shè)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(shù)字電源開發(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(shù)字電源IC廠商如果再“單打獨斗”的話，顯然已“力有不逮”。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，主芯片廠家諸如FPGA/ASSP/ASIC的技術(shù)日新月異，在性能不斷提升的同時對電源的要求也異常的嚴苛，而電源管理IC廠商不能再和以往一樣孤軍作戰(zhàn)，而是必須要和數(shù)字組芯片廠家協(xié)同作戰(zhàn)。電源IC廠商需要和主芯片廠商進行有效地技術(shù)溝通，因為只有了解系統(tǒng)芯片的需求，電源IC的目標設(shè)計規(guī)格才顯得更有意義，這種為系統(tǒng)性能需求而定制的電源設(shè)計最終能為系統(tǒng)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廠商的產(chǎn)品更具競爭力，獲得更多的市場份額。
從近些年的市場并購來看，無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(shù)字電源控制器部門，道理其實一脈相承，業(yè)界都認可并執(zhí)行類似的策略
而收購一家電源企業(yè)的好處或遠比與電源企業(yè)合作來得“直接”。Mark Davidson對此表示，一般大型電源管理IC廠商的電源器件會有很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，他們不會也不可能把全部的精力投入到FPGA領(lǐng)域，而Altera通過收購則會更加關(guān)注電源器件在FPGA方面的應(yīng)用。他強調(diào)，收購Enpirion我們成為一個公司后，可以集合電源、FPGA系統(tǒng)工程以及電路板布局的專家，共同開發(fā)出一個更好的解決方案。
受SoC化設(shè)計趨勢的影響，近年來電源管理IC技術(shù)表現(xiàn)出越來越強的模塊化趨勢。一方面，設(shè)備正變得越來越復(fù)雜，更多功能特性、更快更復(fù)雜處理器需要更先進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以更高的設(shè)計靈活性實現(xiàn)更強的系統(tǒng)用電性能，這正在改變傳統(tǒng)的電源設(shè)計方法。另一方面，模塊化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)約電路板空間，提高系統(tǒng)的長期可靠性，同時也能有效降低系統(tǒng)成本，帶來的好處是顯而易見的。
因而，市場上的模塊化電源管理IC開始不斷浮出水面。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(zhuǎn)換器EM1130。這款被Altera視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數(shù)字DC-DC降壓轉(zhuǎn)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(wěn)壓和快速瞬時響應(yīng)功能，并能夠遠程測量電流、電壓和溫度等關(guān)鍵參數(shù)。
張偉超介紹說，集成的Enpirion電源單芯片系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于極大程度的提高了系統(tǒng)的可靠性和易用性，而模塊電源體積小、低EMI以及通過數(shù)字控制環(huán)路實現(xiàn)更快的負載瞬態(tài)響應(yīng)和更低的噪聲，從而能夠更加智能化地適應(yīng)平臺廠商對于降低系統(tǒng)功耗的最新需求同時提升性能的嚴苛挑戰(zhàn)，將經(jīng)驗證的Enpirion電源SoC解決方案與Altera的FPGA結(jié)合使用，客戶能夠在盡可能最小的電路板上完成他們的設(shè)計，同時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(tǒng)可靠性。
圖：Altera的Enpirion電源SoC解決方案與Arria 10 FPGA結(jié)合使用，大大降低功耗并提高系統(tǒng)性能。
此外，電源管理IC的模塊化趨勢還體現(xiàn)在與板上其他芯片的“集成化”上，市場上電源管理IC與主控芯片之間通信及監(jiān)控等功能的集成化也在日益增多。張偉超提到，未來，Altera將會利用Enpirion公司在電源方面的技術(shù)，將某些電源模塊集成進FPGA內(nèi)部，使得系統(tǒng)電路板電路更加簡潔，功耗和成本都得到優(yōu)化處理，并更加簡化FPGA系統(tǒng)的開發(fā)。
而電源管理IC的智能化亦是大勢使然，或才能主動“配合”平臺主芯片的功能不斷升級的需求。張偉超介紹說，隨著系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，對能耗的要求越來越高，客戶對電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高，電源設(shè)計人員不再滿足于實時監(jiān)控電流、電壓、溫度，還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個輸出電壓參數(shù)的要求。此外，電源管理IC必須和電路板上所需要供電的設(shè)備進行有效地連接，因系統(tǒng)要求電源子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間更加實時的合作與配合，甚至要支持通過云端進行的監(jiān)控去管理，智能化的管理和調(diào)控已成必須。
如何去實現(xiàn)智能化?張偉超表示，這需要在兩個方面下工夫，一是電源管理IC要實現(xiàn)與內(nèi)核通信，各部分之間可相互溝通交流，及時動態(tài)的控制加上無縫的溝通可成就一個智能化的電源管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地對系統(tǒng)變化的供電需求進行檢測分析和響應(yīng)，從而大大提高系統(tǒng)的效率。二是內(nèi)部參數(shù)可實現(xiàn)在線調(diào)整，這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的，能順應(yīng)負載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化同時還能保證一定的性能，數(shù)字電源在這方面發(fā)揮重要作用，同時還需要不斷在控制算法、自適應(yīng)方面實現(xiàn)突破。
Altera通過不斷創(chuàng)新，在這方面實現(xiàn)了新的進展。不久前，Altera在亞太地區(qū)的14個城市舉辦2015年Altera技術(shù)日活動，展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案。其中，Arria 10和Enpirion的數(shù)字PowerSoC相結(jié)合,實現(xiàn)了智能化的FPGA電源系統(tǒng)和最低的功耗。其具體特性包括以下幾個方面：
1. FPGA設(shè)計的所有電源供電要求會導(dǎo)致建立FPGA電源樹，不同資源要求有不同的上電順序，這對電源轉(zhuǎn)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(tǒng)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，可以開始下一排序步驟;
2. 另一常見的系統(tǒng)電源要求是能夠進行遠程監(jiān)視，對電源各參數(shù)進行實時監(jiān)視、故障報警和相應(yīng)調(diào)節(jié)。而最簡單、最便宜、最緊湊的方式是使用集成了遠程監(jiān)視功能和相應(yīng)的通信總線的電源調(diào)節(jié)器。通過智能電壓ID(SmartVID)特性，Altera的Arria 10 FPGA和SoC通過PMBus接口，確定與Enpirion電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)之間所需的VCC電壓和通信，將內(nèi)核電壓軌盡可能動態(tài)調(diào)整到最小，而不會犧牲系統(tǒng)性能。同時，支持PMBus的Enpirion的ED8101P0xQI單相數(shù)字控制器，與ET4040QI大電流電源配對使用，可實現(xiàn)對FPGA的多種遠程監(jiān)視和低功耗特性。
FPGA電源供電設(shè)計有一些常見的要求。理解FPGA設(shè)計和應(yīng)用怎樣影響功耗和電源供電要求會讓設(shè)計更清晰，更容易成功。Altera的Enpirion電源解決方案設(shè)計滿足了這些苛刻的FPGA電源要求。未來的電子系統(tǒng)功能將日益復(fù)雜、多樣和智能化，對電源管理系統(tǒng)的要求也越來越高。深入地理解各個系統(tǒng)的特性和供電需求，并順應(yīng)數(shù)字化、模塊化和智能化的發(fā)展趨勢，才能夠為系統(tǒng)提供度身定制的“完美”供電保障。
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