芯片的內(nèi)部線路圖如何設(shè)計(jì)

作為一名硬件工程師，自然經(jīng)常與各種芯片打交道，可能有的同學(xué)對(duì)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(shí)直接翻到Datasheet的應(yīng)用頁(yè)面，按照推薦設(shè)計(jì)搭建外圍完事。如此一來(lái)即使應(yīng)用沒(méi)有問(wèn)題，卻也忽略了更多的技術(shù)細(xì)節(jié)，對(duì)于自身的技術(shù)成長(zhǎng)并沒(méi)有積累到更好的經(jīng)驗(yàn)。作為曾經(jīng)短暫搞過(guò)IC設(shè)計(jì)也算流過(guò)片的一名硬件工程師，今天以一顆DC/DC降壓電源芯片為例，盡量詳細(xì)講解下一顆芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)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！這是一顆電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部版圖（類比如PCB的LayOut）顏色是根據(jù)不同材質(zhì)結(jié)構(gòu)染的色。

可以看到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和PCB設(shè)計(jì)一樣，模塊結(jié)構(gòu)布局清晰明了，接下來(lái)我們看看芯片的內(nèi)部線路圖是如何設(shè)計(jì)的，和板級(jí)的線路設(shè)計(jì)有何異同。以TI 的一顆常用芯片LM2675為例，打開DataSheet，首先看框圖：

這個(gè)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(gè)芯片的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)FB腳檢測(cè)輸出狀態(tài)來(lái)形成環(huán)路控制PWM驅(qū)動(dòng)功率MOS管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或者恒流輸出。這是一個(gè)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。一、基準(zhǔn)電壓類似于板級(jí)電路設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電源，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為芯片其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。這個(gè)基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓，因?yàn)檫@個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱為帶隙基準(zhǔn)。這個(gè)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?yàn)樯僮悠圃斐傻穆╇娏鳎?。這個(gè)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(yùn)放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因?yàn)镸3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(zhǔn)Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點(diǎn)：I1是正溫度系數(shù)的，而Vbe是負(fù)溫度系數(shù)的，再通過(guò)N值調(diào)節(jié)一下，可是實(shí)現(xiàn)很好的溫度補(bǔ)償！得到穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。N一般業(yè)界按照8設(shè)計(jì)，要想實(shí)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(shí)現(xiàn)小于1V的基準(zhǔn)，而且除了溫度系數(shù)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(yùn)放的設(shè)計(jì)當(dāng)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(lái)驅(qū)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(diào)的方波。

最后詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)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(bǔ)償，針對(duì)的是占空比大于50%時(shí)為了穩(wěn)定斜坡，額外增加了補(bǔ)償斜坡，我也是粗淺了解，有興趣同學(xué)可詳細(xì)學(xué)習(xí)。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(duì)反饋電壓進(jìn)行采樣處理。從而來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)MOS管的PWM，如簡(jiǎn)圖：

四、驅(qū)動(dòng)電路最后的驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是很大面積的MOS管，電流能力強(qiáng)。

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(shí)實(shí)在在的在芯片的設(shè)計(jì)中占據(jù)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?yàn)樯想娝查g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(dāng)于“點(diǎn)個(gè)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(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(hù)模塊OVP很好理解，輸入電壓太高時(shí)，通過(guò)開關(guān)管來(lái)關(guān)斷輸出，避免損壞，通過(guò)比較器可以設(shè)置一個(gè)保護(hù)點(diǎn)。

3、過(guò)溫保護(hù)模塊OTP溫度保護(hù)是為了防止芯片異常高溫?fù)p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(shè)置保護(hù)點(diǎn)來(lái)關(guān)斷輸出。

4、過(guò)流保護(hù)模塊OCP在譬如輸出短路的情況下，通過(guò)檢測(cè)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(qū)動(dòng)。

還有一些其他輔助模塊設(shè)計(jì)。六、恒流源和電流鏡在IC內(nèi)部，如何來(lái)設(shè)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(zhǔn)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(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電源芯片的內(nèi)部全部結(jié)構(gòu)，也算是把以前的皮毛知識(shí)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(jì)時(shí)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(duì)半導(dǎo)體工藝參數(shù)有很深的理解，因?yàn)橹圃旃に嚊Q定了晶體管的很多參數(shù)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(yīng)用。整個(gè)芯片設(shè)計(jì)也是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求很好的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?！　?/p>