电源芯片内部的隐秘，都有怎样的水月洞天？

2018-05-04 11:09

作为一名硬件工程师，自然经常与各种芯片打交道，可能有的同学对芯片的内部并不是很了解，不少同学在应用新的芯片时直接翻到Datasheet的应用页面，按照推荐设计搭建外围完事。如此一来即使应用没有问题，却也忽略了更多的技术细节，对于自身的技术成长并没有积累到更好的经验。作为曾经短暂搞过IC设计也算流过片的一名硬件工程师，今天以一颗DC／DC降压电源芯片为例，尽量详细讲解下一颗芯片的内部设计原理和结构，IC行业的同学随便看看就好，欢迎指教！

这是一颗电机驱动芯片的内部版图（类比如PCB的LayOut）颜色是根据不同材质结构染的色。

可以看到芯片的内部结构也和PCB设计一样，模块结构布局清晰明了，接下来我们看看芯片的内部线路图是如何设计的，和板级的线路设计有何异同。以TI 的一颗常用芯片LM2675为例，打开DataSheet，首先看框图：

这个图包含了电源芯片的内部全部单元模块，BUCK结构我们已经很理解了，这个芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动，并通过FB脚检测输出状态来形成环路控制PWM驱动功率MOS管，实现稳压或者恒流输出。这是一个非同步模式电源，即续流器件为外部二极管，而不是内部MOS管。

一、基准电压

类似于板级电路设计的基准电源，芯片内部基准电压为芯片其他电路提供稳定的参考电压。这个基准电压要求高精度、稳定性好、温漂小。芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压，因为这个电压值和硅的带隙电压相近，因此被称为带隙基准。这个值为1．2V左右，如下图的一种结构：

这里要回到课本讲公式，PN结的电流和电压公式：

可以看出是指数关系，Is是反向饱和漏电流（即PN结因为少子漂移造成的漏电流）。这个电流和PN结的面积成正比！即Is－＞S。

如此就可以推导出Vbe＝VT＊ln（Ic／Is）！

回到上图，由运放分析VX＝VY，那么就是I1＊R1＋Vbe1＝Vbe2，这样可得：I1＝△Vbe／R1，而且因为M3和M4的栅极电压相同，因此电流I1＝I2，所以推导出公式：I1＝I2＝VT＊ln（N／R1） N是Q1 Q2的PN结面积之比！

这样我们最后得到基准Vref＝I2＊R2＋Vbe2，关键点：I1是正温度系数的，而Vbe是负温度系数的，再通过N值调节一下，可是实现很好的温度补偿！得到稳定的基准电压。N一般业界按照8设计，要想实现零温度系数，根据公式推算出Vref＝Vbe2＋17．2＊VT，所以大概在1．2V左右的，目前在低压领域可以实现小于1V的基准，而且除了温度系数还有电源纹波抑制PSRR等问题，限于水平没法深入了。最后的简图就是这样，运放的设计当然也非常讲究：