作为一名电源研发工程师，自然经常与各种芯片打交道，可能有的工程师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。今天以一颗DC/DC降压电源芯片LM2675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!

如何在短期内建设规范的临床PCR实验室成为首要问题。

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、标准的PCR实验室分四个区域

1、试剂配置区、样品处理区、核酸扩增区、产物分析区。

每个工作区域必须严格按照一个方向，不同的工作区域使用不同的工作服，如不同颜色的工作服。员工离开工作区域时，不得将工作服带出。也许你看到PCR实验室分为五个区域，还包括PCR走廊。但在面积有限的情况下，走廊并非必须的。

下面咱们一起来分析各个功能是怎么实现的
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：

2、PCR实验室各区功能：

试剂准备区：扩增试剂的配制、分装和保存。

样品处理区：样品登记、分装；核酸提取、保存和加样。

扩增产物分析区：扩增产物的测定、结果分析、登记及报告。

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) !
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!

扩增前区与扩增后区应严格分开，使用不同的房间，两个区域之间应有一定的间隔。使用商用试剂盒可在样品处理区制备少量试剂。

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：

3、当需要把样品处理区和试剂准备区设在同一房间时，需满足以下条件：

在生物安全柜内操作。

每个实验人员和实验组使用各自的试剂和消耗品。

盛装受污染物质的容器，应当密封并一次性使用。

实验前后采用有效方法对手术区及共用器械进行清洗消毒。

振荡器OSC和PWM
我们知道开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管，那么自然需要产生振荡的模块，原理很简单，就是利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。

最后详细的电路设计图是这样的：
这里有个技术难点是在电流模式下的斜坡补偿，针对的是占空比大于50%时为了稳定斜坡，额外增加了补偿斜坡，我也是粗浅了解，有兴趣同学可详细学习。

误差放大器
误差放大器的作用是为了保证输出恒流或者恒压，对反馈电压进行采样处理。从而来调节驱动MOS管的PWM，如简图：

驱动电路
最后的驱动部分结构很简单，就是很大面积的MOS管，电流能力强。

二、PCR实验室建设要点

1、主体结构

主体为彩钢板和铝合金型材。房间内外角均采用铝合金50内圆角铝，解决了易污染、积灰、清洗困难的问题。结构牢固，线条简洁美观大方，密封性能好。

其他模块电路
这里的其他模块电路是为了保证芯片能够正常和可靠的工作，虽然不是原理的核心，却实实在在的在芯片的设计中占据重要位置。

2、标准的三区分隔和气压调节

将PCR过程分为试剂制备、样品制备和PCR扩增检测三个独立的实验区。整个区域有一个整体缓冲走廊。每个独立的实验区都有一个缓冲区。同时，每个区域均采用气压调节，使试剂和样品在整个PCR实验过程中不受气溶胶污染，减少扩增产物对人和环境的污染。

可打开缓冲区Ⅰ，缓冲区Ⅱ和PCR扩增区的排风扇往外排气，实验区内，外墙、门均设有可调节风量的回风口，通过回风口将空气交换到室内。

3、消毒

紫外线灯安装在三个实验区、三个缓冲区的顶部和转移窗内进行消毒。

在试剂制备区和标本制备区还设置移动式紫外线灯，对实验台进行局部消毒。

具体说来有几种功能：

启动模块
启动模块的作用自然是来启动芯片工作的，因为上电瞬间有可能所有晶体管电流为0并维持不变，这样没法工作。启动电路的作用就是相当于“点个火”，然后再关闭。

4、机械连锁不锈钢传递窗

试剂和标本通过机械联锁不锈钢（不推荐电子联锁）传输窗口传输，确保试剂和标本在传输过程中不受污染（人物分流）。

上电瞬间，S3自然是打开的，然后S2打开可以打开M4 Q1等，就打开了M1 M2，右边恒流源电路正常工作，S1也打开了，就把S2给关闭了，完成启动。如果没有S1 S2 S3，瞬间所有晶体管电流为0。

过温保护模块OTP
温度保护是为了防止芯片异常高温损坏，原理比较简单，利用晶体管的温度特性然后通过比较器设置保护点来关断输出。

过压保护模块OVP
很好理解，输入电压太高时，通过开关管来关断输出，避免损坏，通过比较器可以设置一个保护点。

过流保护模块OCP
在譬如输出短路的情况下，通过检测输出电流来反馈控制输出管的状态，可以关断或者限流。如图的电流采样，利用晶体管的电流和面积成正比来采样，一般采样管Q2的面积会是输出管面积的千分之一，然后通过电压比较器来控制MOS管的驱动。

还有一些其他辅助模块设计。

恒流源和电流镜
在IC内部，如何来设置每一个晶体管的工作状态，就是通过偏置电流，恒流源电路可以说是所有电路的基石，带隙基准也是因此产生的，然后通过电流镜来为每一个功能模块提供电流，电流镜就是通过晶体管的面积来设置需要的电流大小，类似镜像。

5、地面

地面建议采用PVC卷材地面或自流地板，整体性好。易清洗，耐腐蚀。如果没有条件，也可以使用水磨石地面，或大瓷砖（至少800mm×800mm）接缝需要小于2mm。

6、照明

灯具应选用净化灯具，便于清洁、无尘。

在PCR实验室改建过程中还有一些重要的事项：比如实验室空调通风系统设计和压力控制、污染的预防与控制等。

以上大概就是一颗DC/DC电源芯片LM2675的内部全部结构，也算是把以前的皮毛知识复习了一下。当然，这只是原理上的基本架构，具体设计时还要考虑非常多的参数特性，需要作大量的分析和仿真，而且必须要对半导体工艺参数有很深的理解，因为制造工艺决定了晶体管的很多参数和性能，一不小心出来的芯片就有缺陷甚至根本没法应用。整个芯片设计也是一个比较复杂的系统工程，要求很好的理论知识和实践经验。最后，学而时习之，不亦说乎!