詳細(xì)講解一顆芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

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)用頁面，按照推薦設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)，對于自身的技術(shù)成長并沒有積累到更好的經(jīng)驗(yàn)。作為曾經(jīng)短暫搞過IC設(shè)計(jì)也算流過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MOS管的驅(qū)動(dòng)，并通過FB腳檢測輸出狀態(tài)來形成環(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等問題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡圖就是這樣，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(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，對反饋電壓進(jìn)行采樣處理。從而來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)MOS管的PWM，如簡圖：

四、驅(qū)動(dòng)電路

最后的驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)很簡單，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。

具體說來有幾種功能：

1、啟動(dòng)模塊

啟動(dòng)模塊的作用自然是來啟動(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)。如果沒有S1 S2 S3，瞬間所有晶體管電流為0。

2、過壓保護(hù)模塊OVP

很好理解，輸入電壓太高時(shí)，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(gè)保護(hù)點(diǎn)。

3、過溫保護(hù)模塊OTP

溫度保護(hù)是為了防止芯片異常高溫?fù)p壞，原理比較簡單，利用晶體管的溫度特性然后通過比較器設(shè)置保護(hù)點(diǎn)來關(guān)斷輸出。

4、過流保護(hù)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(huì)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(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，如何來設(shè)置每一個(gè)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(zhǔn)也是因此產(chǎn)生的，然后通過電流鏡來為每一個(gè)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，一不小心出來的芯片就有缺陷甚至根本沒法應(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)。最后，學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說乎！