作為一名電源研發(fā)工程師，自然經(jīng)常與各種芯片打交道，可能有的工程師對(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)。今天以一顆DC/DC降壓電源芯片LM2675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!
如何在短期內(nèi)建設(shè)規(guī)范的臨床PCR實(shí)驗(yàn)室成為首要問(wèn)題。
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、標(biāo)準(zhǔn)的PCR實(shí)驗(yàn)室分四個(gè)區(qū)域
1、試劑配置區(qū)、樣品處理區(qū)、核酸擴(kuò)增區(qū)、產(chǎn)物分析區(qū)。
每個(gè)工作區(qū)域必須嚴(yán)格按照一個(gè)方向，不同的工作區(qū)域使用不同的工作服，如不同顏色的工作服。員工離開(kāi)工作區(qū)域時(shí)，不得將工作服帶出。也許你看到PCR實(shí)驗(yàn)室分為五個(gè)區(qū)域，還包括PCR走廊。但在面積有限的情況下，走廊并非必須的。
下面咱們一起來(lái)分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現(xiàn)的
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)：
2、PCR實(shí)驗(yàn)室各區(qū)功能：
試劑準(zhǔn)備區(qū)：擴(kuò)增試劑的配制、分裝和保存。
樣品處理區(qū)：樣品登記、分裝；核酸提取、保存和加樣。
擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)：擴(kuò)增產(chǎn)物的測(cè)定、結(jié)果分析、登記及報(bào)告。
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?。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) !
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!
擴(kuò)增前區(qū)與擴(kuò)增后區(qū)應(yīng)嚴(yán)格分開(kāi)，使用不同的房間，兩個(gè)區(qū)域之間應(yīng)有一定的間隔。使用商用試劑盒可在樣品處理區(qū)制備少量試劑。
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：
3、當(dāng)需要把樣品處理區(qū)和試劑準(zhǔn)備區(qū)設(shè)在同一房間時(shí)，需滿足以下條件：
在生物安全柜內(nèi)操作。
每個(gè)實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)組使用各自的試劑和消耗品。
盛裝受污染物質(zhì)的容器，應(yīng)當(dāng)密封并一次性使用。
實(shí)驗(yàn)前后采用有效方法對(duì)手術(shù)區(qū)及共用器械進(jìn)行清洗消毒。
振蕩器OSC和PWM
我們知道開(kāi)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)。
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：
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)。
二、PCR實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要點(diǎn)
1、主體結(jié)構(gòu)
主體為彩鋼板和鋁合金型材。房間內(nèi)外角均采用鋁合金50內(nèi)圓角鋁，解決了易污染、積灰、清洗困難的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)牢固，線條簡(jiǎn)潔美觀大方，密封性能好。
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。
2、標(biāo)準(zhǔn)的三區(qū)分隔和氣壓調(diào)節(jié)
將PCR過(guò)程分為試劑制備、樣品制備和PCR擴(kuò)增檢測(cè)三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)區(qū)。整個(gè)區(qū)域有一個(gè)整體緩沖走廊。每個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)區(qū)都有一個(gè)緩沖區(qū)。同時(shí)，每個(gè)區(qū)域均采用氣壓調(diào)節(jié)，使試劑和樣品在整個(gè)PCR實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不受氣溶膠污染，減少擴(kuò)增產(chǎn)物對(duì)人和環(huán)境的污染。
可打開(kāi)緩沖區(qū)Ⅰ，緩沖區(qū)Ⅱ和PCR擴(kuò)增區(qū)的排風(fēng)扇往外排氣，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，外墻、門均設(shè)有可調(diào)節(jié)風(fēng)量的回風(fēng)口，通過(guò)回風(fēng)口將空氣交換到室內(nèi)。
3、消毒
紫外線燈安裝在三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)、三個(gè)緩沖區(qū)的頂部和轉(zhuǎn)移窗內(nèi)進(jìn)行消毒。
在試劑制備區(qū)和標(biāo)本制備區(qū)還設(shè)置移動(dòng)式紫外線燈，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行局部消毒。
具體說(shuō)來(lái)有幾種功能：
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。
4、機(jī)械連鎖不銹鋼傳遞窗
試劑和標(biāo)本通過(guò)機(jī)械聯(lián)鎖不銹鋼（不推薦電子聯(lián)鎖）傳輸窗口傳輸，確保試劑和標(biāo)本在傳輸過(guò)程中不受污染（人物分流）。
上電瞬間，S3自然是打開(kāi)的，然后S2打開(kāi)可以打開(kāi)M4 Q1等，就打開(kāi)了M1 M2，右邊恒流源電路正常工作，S1也打開(kāi)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。
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。
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(kāi)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)。
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)。
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。
5、地面
地面建議采用PVC卷材地面或自流地板，整體性好。易清洗，耐腐蝕。如果沒(méi)有條件，也可以使用水磨石地面，或大瓷磚（至少800mm×800mm）接縫需要小于2mm。
6、照明
燈具應(yīng)選用凈化燈具，便于清潔、無(wú)塵。
在PCR實(shí)驗(yàn)室改建過(guò)程中還有一些重要的事項(xiàng)：比如實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和壓力控制、污染的預(yù)防與控制等。
以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675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)。最后，學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說(shuō)乎! | 
