芯片内部设计原理和结构（DC/DC降压电源芯片为例）

本文将以DC/DC降压电源芯片为例详细解说一颗电源芯片的内部设计，它和板级的线路设计有何异同？芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压，值为1.2V左右。同时开关电源的基本原理是利用pWM方波来驱动功率MOS管。

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。

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Q1Q2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：

如图温度特性仿真：

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