详细拆解TI这款从上世纪80年代火到现在的电源芯片

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详细拆解TI这款从上世纪80年代火到现在的电源芯片 [复制链接]

 

Ken Shirriff

 

深入研究一下电源控制 IC 内部的情况会很有趣。

 

下面的芯片照片显示了 UC3842 芯片，它在旧款PC电源中非常流行。（该芯片于1984年推出，面前这款的日期是2000年。）微小的硅片经过图案化处理，形成构成电路的晶体管、电阻器和电容器。浅色线是硅片顶部的金属层，形成芯片的布线。在边缘周围，方形焊盘提供从芯片到 IC 外部引脚的连接；微小的键合线将焊盘连接到芯片的外部引脚。

 

 

UC3842 芯片。外部的引脚都有标签。

 

下面的照片显示了安装在电源板上的芯片。对于芯片照片，通过加热将芯片从环氧树脂封装中取出，然后用几滴硫酸清洁芯片。用显微镜拍照并将它们拼接在一起以创建高分辨率图像。

 

 

 

UC3842 芯片安装在电源电路板上。白色球状物是硅胶，用于固定许多电源元件。

 

该芯片来自下面的 PC 电源。这是一个开关电源，因此它使用几个步骤来产生输出电压。在初级侧，输入交流电经过滤波，然后由桥式整流器转换为高压直流电（大约 170 到 340 伏），大电容器将其平滑。接下来，直流电被开关晶体管每秒数千次切成脉冲。控制 IC 不断调整脉冲的宽度以调节输出电压。这些脉冲进入变压器，变压器将高压脉冲转换为低压大电流。次级侧的二极管产生多个直流输出，这些输出由电感器和电容器平滑。

 

 

 

标有主要组件的 ATX 电源。我移除了散热器和电容器以提高可见性。

 

这个过程看似复杂，但与将交流电从墙上直接输入变压器相比，它有几个优点。首先，由于变压器的工作频率为数千赫兹，而不是 60 赫兹，因此可以使用小得多的变压器。其次，与将过剩电压转换为热量的“线性调节器”相比，将直流电切成脉冲会浪费很少的能量。结果是电源便宜、轻便、高效。

在这篇博文中，我将解释控制器 IC 的构造、其电路的组成模块以及其工作原理。一篇博文可能包含的内容太多了，但我们会看看进展如何。

 

一些硅元件

该 IC 由一种称为双极晶体管的晶体管构成，而不是现代 IC 中通常使用的 MOS 晶体管。下面这张高度放大的照片显示了芯片上的 NPN 晶体管，下面是横截面图。晶体管顶部的金属布线可见为宽浅色线。硅的不同区域掺杂有杂质以改变其电气特性，从而产生 N 型和 P 型硅。这些区域在照片中隐约可见。硅顶部的氧化层与金属隔离，除非触点（黑色圆圈或椭圆形）提供金属和硅之间的连接。

 

 

 

该图说明了 NPN 晶体管的结构。

 

该芯片还使用了许多 PNP 晶体管。尽管您可能认为 PNP 晶体管只是 NPN 晶体管的反向，但它的结构不同，区域横向排列而不是垂直排列。集电极和基极围绕发射极形成同心方形环。基极导线不直接连接到基极区域。相反，导线在远处，基极信号通过 N 层在下面传输。

 

 

 

图示 PNP 晶体管的结构。虚线表示集电极和基极如何环绕发射极。

 

由于该芯片主要由模拟电路组成，因此它使用了很多电阻器。下图显示了几个典型的电阻器，即细的灰绿色线。电阻器两端连接到金属线，即较宽的金属线迹。一些电阻器是直线，而另一些电阻器则是曲折的，以便在可用空间中安装更长的电阻器（即更高的电阻）。

 

 

 

芯片上的电阻器。

 

电阻器是集成电路中不方便使用的元件。首先，它们占用了相对较大的空间，尤其是长而高值的电阻器。其次，它们不准确；它们的值可能因芯片而异，甚至在单个芯片上也可能不同。因此，电路通常设计为取决于两个电阻器之间的比率，这要稳定得多。

 

电容器体积也很大，因此芯片只使用了几个电容器来稳定放大器。电容器的形成方法是，先将底层硅用作一个极板，然后在上面放一层多晶硅，形成第二个极板，中间用一层薄薄的绝缘氧化物隔开。多晶硅是一种特殊类型的硅，在照片中呈绿色。

 

 

 

芯片上的电容器。

 

芯片架构

总结一下，该芯片产生脉冲来控制为变压器供电的开关晶体管。这些脉冲的频率是固定的（例如 52 kHz），但如果需要更多功率来保持输出电压恒定，则脉冲宽度会增加。该芯片根据电源的电压和电流反馈不断调整脉冲宽度，即使负载发生变化，也能保持输出电压稳定。

 

 

 

UC3842 芯片。芯片的主要功能块已标记。

 

上面的芯片图已标明芯片的主要功能块。可以将其与数据表中的框图（如下）进行比较。我将先描述主要功能块，然后再解释它们是如何实现的。

 

 

 

带注释的 UC3842 芯片框图。

 

电源的脉冲始于芯片的振荡器，振荡器以由外部电阻和电容控制的频率产生脉冲。振荡器下方是反馈电路，它根据电压和电流反馈调整脉冲宽度。PWM 锁存器（脉冲宽度调制）将振荡器信号和反馈结合起来，以产生适当持续时间的脉冲。这些脉冲进入高电流输出级，驱动外部开关晶体管。

 

芯片本身由变压器上的辅助绕组供电，提供 15 至 30 伏电压。芯片使用一种称为带隙调节器的特殊电路将电压调节至内部 5 伏电源，即使温度发生变化，电压也能稳定在 2% 以内。（此调节参考电压也作为 Vref 从外部提供，供需要稳定电压的外部电路使用。）

 

一个潜在的问题是，如果电源被拔掉（例如），当输入电压下降时，芯片可能会出现不可预测的行为。为了防止这种情况，如果输入电压下降得太低，欠压锁定 (UVLO) 功能会彻底关闭芯片。

 

该芯片的最后一个有趣特征是它的启动方式。如上所述，该芯片由变压器供电，但芯片会产生脉冲来为变压器供电。这似乎是一个先有鸡还是先有蛋的问题，因为芯片在驱动变压器之前不会接收任何电源。解决方案是通过一个非常大的电阻连接到整流线电压，因此芯片会接收数百伏电压，但电流只有微安。齐纳二极管（下图）将启动电压降至 34 伏，足以让芯片开始产生脉冲，此时变压器接管。

 

 

 

芯片上的齐纳二极管。它将启动电压限制在 34 伏。它由五个串联的二极管组成。

 

振荡器

下面的简化图显示了振荡器的工作原理。在第一阶段 (A)，外部电容器通过电阻器充电。当电容器上的电压达到固定水平时，比较器 (三角形) 开启，为放电晶体管通电。在下一个阶段 (B)，电容器通过内部电阻器放电，然后循环再次开始。因此 ，通过为外部电阻器和电容器选择特定的值，电源设计人员可以选择振荡器频率。

 

 

 

该图显示了振荡器如何由外部电阻器和电容器控制。

 

如前所述，IC 内部的电阻器并不准确。这对振荡器来说是个问题，因为放电电压水平是由电阻器设置的。解决方案是通过将保险丝与小电阻器并联并选择性地熔断保险丝以将电阻器添加到电路中来调整电阻。具体 而言，在封装芯片之前，会测量其性能。要熔断保险丝，需要将探针压在圆形触点上并施加大电流。熔断保险丝的额外步骤增加了芯片的制造成本，但它可以提供更精确的性能。

 

 

 

保险丝调整电阻。

 

振荡器有第二组保险丝来调节放电电阻（见下文）。这些保险丝使用不同的原理：它们是“反保险丝”，其作用与保险丝相反。反保险丝开始时不导电，但通过高电流会在反保险丝中产生导电金属尖峰。

 

 

 

振荡器的放电电路。反熔丝调整振荡器中的电阻。

 

电流镜

电流镜是模拟电路的基本组成部分。与许多模拟芯片一样，该芯片需要小而稳定的电流来驱动放大器、偏置电路、上拉信号以及执行其他任务。与使用单独的电阻器来生成每个电流不同，一种常见的解决方案是使用电流镜：使用电阻器控制一个电流，然后使用晶体管复制该电流。下图显示了一个简单的电流镜，其中通过左侧晶体管的固定电流被镜像成三个相同的副本。

 

 

 

基本电流镜电路。左侧的电流被镜像到三个电流吸收器中。

 

上图显示了芯片的主电流镜。右下角的大电阻控制流过主晶体管的电流，其他晶体管复制此电流。6个小 发射极电阻可提高性能。

 

 

 

芯片上的电流镜电路。

 

反馈或误差放大器

接下来，我将介绍电压反馈电路，该电路可以让芯片知道输出电压是过高还是过低。芯片接收输出电压，然后缩放以形成反馈信号。误差放大器将反馈与参考电压进行比较，以确定电压是过高还是过低。

 

误差放大器基于差分放大器，可放大两个输入之间的差值。这种电路在模拟电路中很常见，是运算放大器或比较器的核心。其基本思想是电流镜（顶部的圆圈）产生固定电流 I。该电流在左路径（I1）和右路径（I2）之间分配。如果左侧晶体管的输入电压高于右侧晶体管，则大部分电流将流向左侧。但如果右侧晶体管的输入较高，则大部分电流将流向右侧。该电路放大电压差：即使两个输入之间的差异很小，也会将大部分电流从一侧切换到另一侧。

 

 

 

差分对放大了两个输入之间的差异。

 

误差放大器总共用大约十几个晶体管扩展了该电路。这些晶体管为输入增加了缓冲，控制各种电流，并提供第二个放大级。下图显示了误差放大器的关键组件。右侧的绿色电容器可稳定放大器。

 

 

 

误差反馈放大器在芯片上的显示，并标明了关键元件。

 

电流比较器

电源使用电压反馈来调整脉冲宽度，但它也监控通过变压器的电流，以便电源能够更快地响应负载的变化。电流反馈由“电流感应比较器”实现。这类似于反馈放大器，放大输入之间的差异。（由于它是比较器，而不是放大器，因此它被设计为输出二进制信号而不是模拟电平，但基本原理是相同的。）下图显示了芯片上电流比较器的关键电路及其与框图的关系。误差放大器的输出在进入比较器之前经过一些电路来调整电压电平。

 

 

 

电流检测电路如何映射到芯片组件上。

 

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欠压锁定

另一个有趣的电路是芯片左上角的欠压锁定 (UVLO)。该电路的目的是当输入电压过低时彻底关闭芯片。（如果发生电源故障或甚至拔掉电源，都可能发生这种情况。）

 

UVLO 电路的核心是带隙调节器，它提供即使温度发生变化也能保持稳定的电压基准。这在集成电路中非常困难，因为晶体管的性质会随温度而变化。带隙调节器使用两个不同尺寸的晶体管，因此它们受温度的影响不同。在下面的芯片照片中，Q2 的尺寸是 Q1 的六倍。

 

 

 

用于欠压锁定的带隙电路。

 

下图显示了带隙调节器的构造方式。关键因素是晶体管基极和发射极之间的电压 (V be )，该电压会随温度升高而降低。但是，ΔV be，即两个 V be 之间的差值会随温度升高而增大。使用合适的电阻，这两个因素会相互抵消，从而产生稳定的参考电压。电路将输入电压与该参考电压进行比较。

 

 

 

带隙调节器的示意图。电流镜引导相同的电流通过电路的两侧。

 

在 UVLO 电路中，带隙参考用于检测芯片的输入电压是否过低。由于输入电压约为 30 伏，因此电阻网络（见下文）将其缩放至带隙电压（约 1.2 伏）以进行比较。

 

 

 

这组电阻形成分压器，以降低带隙比较器的输入电压。请注意“00”的掩码日期以及底部的 ST Microelectronics 徽标。

 

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带隙电压基准

该芯片使用第二个带隙基准来创建内部调节的 5 伏电源，为芯片电路供电。此电压也可供可能需要精确电压的外部电路使用。

 

从高层次上讲，该电压基准是一个线性电源，功率晶体管控制输入电压中有多少通过调节后的 Vref。控制信号来自带隙调节器，我将在下面解释。输出电路还有一个电流检测电阻器来测量输出电流。如果发生短路，这会将输出电流限制为 50 mA。如果输入电压突然下降，二极管会钳位输出。

 

 

Vref 输出电路示意图。晶体管限制电压。

 

下图显示了该电路在芯片上的实现方式。功率晶体管比其他晶体管大得多，因此可以支持高电流输出。二极管的结构与功率晶体管相似，但没有集电极。电流检测电阻短而宽，因此电阻较低。

 

 

 

芯片上的 Vref 输出电路。

 

电路的核心是下面的带隙电压基准。该电路类似于欠压锁定电路的带隙电压基准，使用两个晶体管，其中一个晶体管的面积是另一个晶体管的六倍。但是，六路晶体管被分成两个并围绕单个晶体管。采用这种布局，即使芯片上存在温度梯度，单个晶体管和六个晶体管的平均温度也将相同。

 

 

 

带隙基准的核心晶体管。

 

带隙调节器的精度取决于其电阻器的精度。在制造过程中，会烧断保险丝来调整电阻，就像振荡器的电阻器一样。下图还显示了形成分压器的电阻器，用于将 5 伏输出降低到 1.2 伏带隙电压。与其他地方使用的细蜿蜒电阻器相比，这些电阻器很厚且长度均匀，以提高其精度。

 

 

 

控制带隙参考的电阻器。

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输出

现在，我将回顾一下该芯片在电源中的功能。它控制开关晶体管，使晶体管通过变压器发送高压脉冲。该芯片通过在其输出引脚上产生控制脉冲来实现这一点。由于开关晶体管相当大，因此该芯片输出相对较高的电流（200 毫安）控制信号。这需要 IC 内部有相当大的输出晶体管。

 

 

 

控制器芯片指挥开关晶体管通过变压器发送脉冲。

 

下面的芯片照片显示了 IC 的两个输出晶体管：上面的晶体管将输出拉高，下面的晶体管将输出拉至地。该芯片的一个有趣特性是，芯片上有两个用于 Vin 的焊盘和两个用于接地的焊盘。这样做的目的是输出晶体管会吸收大量电流，这可能会导致电源线和地线上的噪声波动，从而干扰芯片的其余部分。通过提供单独的焊盘，输出晶体管在某种程度上与电路的其余部分隔离。

 

 

 

两个大晶体管驱动输出引脚。

 

变体

关于这款芯片的一个有趣之处是，有四种不同的芯片是用同一种硅片制造的。UC3842 具有 16 伏 UVLO 阈值，而 UC3843 具有 8.5 伏阈值，适用于低压应用。该芯片的其他变体（UC3844 和 UC3845）具有触发器，用于降低脉冲占空比。这些不同的芯片在相同的硅基上使用略有不同的金属布线。（定制金属层比定制硅片更容易。）下图显示了 UC3842 中一些金属布线被切断以更改布线的地方。

 

 

 

模具的特写，其中的一些断开的连接用箭头标出。

 

结论

电源通常被视为理所当然，但它包含许多有趣的技术。1975年电源控制芯片的发明是电源改进历史上的关键一步。现代电源芯片要复杂得多，具有提高效率和减少干扰的功能，但我检查的芯片使用相同的基本原理。模拟芯片由几个重要的构建块构成，例如差分放大器、电流源、电流镜和带隙电压基准。UC3842芯片展示了所有这些构建模块，以及它们如何组合以构建复杂电路。

Ken Shirriff

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标题应该是ST？

伟林电源

同型号的产品在专利失效后遍地开花了。

maychang

伟林电源 发表于 2025-3-12 13:13 同型号的产品在专利失效后遍地开花了。

遍地开花，正说明这款反激电源控制芯片设计得非常成功。

伟林电源

maychang 发表于 2025-3-12 13:43 遍地开花，正说明这款反激电源控制芯片设计得非常成功。

是的，以前我经常说能把3842和494玩透了的人基本上也就电源技术登堂入室啦。

maychang

伟林电源 发表于 2025-3-12 15:39 是的，以前我经常说能把3842和494玩透了的人基本上也就电源技术登堂入室啦。

是的。我也感觉这两款电源控制芯片最好用。虽然后来还有功能更全的芯片出现，但这两款堪称经典。

伟林电源

maychang 发表于 2025-3-12 17:39 是的。我也感觉这两款电源控制芯片最好用。虽然后来还有功能更全的芯片出现，但这两款堪称经典。

817+431也是经典，当初也算是基本入门必修课了。

soso

伟林电源 发表于 2025-3-12 20:33 817+431也是经典，当初也算是基本入门必修课了。

现在要学，意义大不？应该怎么学？

伟林电源

soso 发表于 2025-3-13 09:59 现在要学，意义大不？应该怎么学？

当然有意义，能深入了解基本电路架构的原理，不像现在的傻瓜型，虽然功能先进但是无可操性，时间长了人也成傻瓜型了。

soso

伟林电源 发表于 2025-3-13 13:52 当然有意义，能深入了解基本电路架构的原理，不像现在的傻瓜型，虽然功能先进但是无可操性，时间长了人也 ...

懂了，多谢。

伟林电源

soso 发表于 2025-3-13 14:48 懂了，多谢。

电路架构百变不离其中，只有基础扎实了才能举一反三。

soso

伟林电源 发表于 2025-3-14 17:32 电路架构百变不离其中，只有基础扎实了才能举一反三。

好的。学这个具体有什么建议吗？

伟林电源

soso 发表于 2025-3-17 09:52 好的。学这个具体有什么建议吗？

没啥建议，就是多看资料消化变成自己的，然后通过多动手进行实践巩固理解。

soso

伟林电源 发表于 2025-3-17 10:40 没啥建议，就是多看资料消化变成自己的，然后通过多动手进行实践巩固理解。

好的，多谢：）