在現(xiàn)代電子設(shè)備中，離線式開關(guān)電源因其高效、緊湊等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。從日常的手機(jī)充電器到復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備電源，離線式開關(guān)電源無處不在。其內(nèi)部電源電路作為關(guān)鍵組成部分，對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。它不僅要為開關(guān)電源的控制芯片及其他內(nèi)部電路提供穩(wěn)定可靠的電源，還要在各種復(fù)雜的工作條件下保證自身的穩(wěn)定性與安全性。

離線式開關(guān)電源工作原理概述

離線式開關(guān)電源主要負(fù)責(zé)將電網(wǎng)輸入的交流電轉(zhuǎn)換為適合電子設(shè)備使用的直流電。其工作過程通常包含多個(gè)環(huán)節(jié)。首先，交流電經(jīng)過整流橋，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，此時(shí)得到的直流電壓會(huì)存在較大的波動(dòng)。接著，該直流電壓進(jìn)入開關(guān)電路，開關(guān)管在控制信號(hào)的作用下快速導(dǎo)通與截止，通過變壓器對(duì)電壓進(jìn)行變換，將電壓調(diào)整到合適的數(shù)值。之后，經(jīng)過整流、濾波等操作，輸出穩(wěn)定的直流電壓供負(fù)載使用。在整個(gè)過程中，控制電路時(shí)刻監(jiān)測輸出電壓和電流，通過反饋機(jī)制調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和頻率，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。例如，當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)微小下降時(shí)，控制電路會(huì)適當(dāng)延長開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使變壓器存儲(chǔ)更多能量，從而提升輸出電壓，反之亦然。

內(nèi)部電源電路的構(gòu)成與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路的作用是在電源接通的瞬間，為開關(guān)電源芯片提供初始工作電壓，使其能夠開始正常工作。常見的啟動(dòng)方式有電阻分壓啟動(dòng)和高壓恒流源啟動(dòng)。電阻分壓啟動(dòng)是通過幾個(gè)電阻對(duì)輸入的高壓直流進(jìn)行分壓，獲取一個(gè)較低的電壓為芯片供電。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但在啟動(dòng)過程中電阻會(huì)消耗一定的功率，且在輸入電壓變化較大時(shí)，可能無法提供穩(wěn)定的啟動(dòng)電壓。高壓恒流源啟動(dòng)則更為先進(jìn)，像一些芯片內(nèi)部集成了高壓恒流源電路，能在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)提供恒定的啟動(dòng)電流。以某款離線式開關(guān)電源芯片為例，其內(nèi)部高壓恒流源可在 85V - 265V 的交流輸入電壓下，為芯片提供穩(wěn)定的啟動(dòng)電流，保證芯片能快速、可靠地啟動(dòng)，且啟動(dòng)功耗較低。

供電電路

供電電路負(fù)責(zé)在開關(guān)電源正常工作期間，持續(xù)為芯片及內(nèi)部其他電路提供穩(wěn)定的電源。一種常見的方式是利用變壓器的輔助繞組，當(dāng)開關(guān)電源工作時(shí)，變壓器的主繞組在傳輸能量的同時(shí)，輔助繞組也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓經(jīng)過整流、濾波后，為芯片供電。這種方式能有效利用變壓器的能量，且供電較為穩(wěn)定。例如，在一個(gè)設(shè)計(jì)為輸出 12V、2A 的離線式開關(guān)電源中，輔助繞組輸出的電壓經(jīng)過整流濾波后，穩(wěn)定在 5V，為芯片及部分控制電路提供電源。此外，還有一些芯片采用自供電技術(shù)，通過對(duì)開關(guān)電源內(nèi)部的某些信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)自身供電，無需額外的輔助繞組，進(jìn)一步簡化了電路結(jié)構(gòu)。

穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路對(duì)于保證內(nèi)部電源電壓的穩(wěn)定性至關(guān)重要。其原理與開關(guān)電源整體的穩(wěn)壓原理類似，通過反饋機(jī)制來調(diào)整輸出電壓。在內(nèi)部電源電路中，通常會(huì)有一個(gè)電壓采樣電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電壓。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，采樣電路將變化信號(hào)反饋給穩(wěn)壓控制芯片。穩(wěn)壓控制芯片根據(jù)反饋信號(hào)，調(diào)整供電電路中的某些參數(shù)，如開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間或頻率，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。例如，當(dāng)內(nèi)部電源輸出電壓因負(fù)載變化等原因升高時(shí)，采樣電路將高電壓信號(hào)反饋給穩(wěn)壓控制芯片，芯片調(diào)整供電電路，縮短開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，降低輸出電壓，使其恢復(fù)到設(shè)定值。

保護(hù)電路

保護(hù)電路是內(nèi)部電源電路安全運(yùn)行的保障。過壓保護(hù)是防止輸出電壓過高損壞芯片及其他電路。當(dāng)檢測到輸出電壓超過設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)迅速動(dòng)作，如切斷供電電路或調(diào)整開關(guān)管的工作狀態(tài)，使輸出電壓降低。欠壓保護(hù)則是在輸出電壓過低時(shí)起作用，避免因電壓過低導(dǎo)致芯片工作異常。過流保護(hù)用于防止過大的電流流過電路，損壞元件。當(dāng)檢測到電流超過安全值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)限制電流或切斷電路。例如，在某一內(nèi)部電源電路中，當(dāng)電流超過 2A 時(shí)，過流保護(hù)電路啟動(dòng)，通過降低開關(guān)管的導(dǎo)通程度，將電流限制在安全范圍內(nèi)。此外，還有過熱保護(hù)，當(dāng)電路溫度過高時(shí)，保護(hù)電路會(huì)采取措施降低溫度，如降低開關(guān)頻率或停止電路工作，待溫度恢復(fù)正常后再重新啟動(dòng)。

內(nèi)部電源電路的常見類型

基于線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部電源電路

線性穩(wěn)壓器工作原理是通過調(diào)整晶體管的導(dǎo)通程度來穩(wěn)定輸出電壓。在內(nèi)部電源電路中，線性穩(wěn)壓器能提供較為純凈的電源輸出，紋波較小。其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，對(duì)輸入電壓的適應(yīng)性較強(qiáng)。例如，在一些對(duì)電源紋波要求較高且功率需求較小的芯片供電中，常采用線性穩(wěn)壓器作為內(nèi)部電源電路的一部分。然而，線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)也較為明顯，其效率相對(duì)較低，尤其是在輸入輸出電壓差較大時(shí)，晶體管會(huì)消耗大量的功率，導(dǎo)致芯片發(fā)熱嚴(yán)重。在輸入電壓為 12V，輸出電壓為 5V，負(fù)載電流為 100mA 的情況下，線性穩(wěn)壓器的效率可能只有 40% 左右。

基于開關(guān)穩(wěn)壓器的內(nèi)部電源電路

開關(guān)穩(wěn)壓器利用開關(guān)管的高速導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，效率較高。在內(nèi)部電源電路中，開關(guān)穩(wěn)壓器能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。它可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來精確控制輸出電壓。例如，在一款需要為多個(gè)芯片供電的離線式開關(guān)電源中，采用開關(guān)穩(wěn)壓器作為內(nèi)部電源電路，能夠高效地將變壓器輔助繞組輸出的電壓轉(zhuǎn)換為不同芯片所需的電壓值。開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是效率高，能夠適應(yīng)較大的負(fù)載變化，可通過調(diào)整電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)升壓、降壓或升降壓等多種功能。不過，其缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，需要精心設(shè)計(jì)濾波電路來降低干擾對(duì)其他電路的影響。

應(yīng)用案例分析

在一款智能手機(jī)充電器的離線式開關(guān)電源中，內(nèi)部電源電路采用了高壓恒流源啟動(dòng)和變壓器輔助繞組供電相結(jié)合的方式。啟動(dòng)時(shí)，高壓恒流源迅速為芯片提供啟動(dòng)電流，使電源快速啟動(dòng)。正常工作時(shí)，變壓器輔助繞組輸出的電壓經(jīng)過整流濾波后，為芯片及控制電路穩(wěn)定供電。內(nèi)部電源電路中的穩(wěn)壓電路確保輸出電壓的穩(wěn)定性，保護(hù)電路則保證了在各種異常情況下電源的安全。這款充電器在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，都能穩(wěn)定工作，為手機(jī)提供可靠的充電電源，且具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的發(fā)熱量。

在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，某款控制器的離線式開關(guān)電源內(nèi)部電源電路采用了自供電技術(shù)和開關(guān)穩(wěn)壓器。自供電技術(shù)簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了元件數(shù)量，降低了成本和故障率。開關(guān)穩(wěn)壓器則保證了為控制器芯片及其他電路提供高效、穩(wěn)定的電源。該內(nèi)部電源電路在復(fù)雜的工業(yè)電磁環(huán)境中，能夠穩(wěn)定工作，為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的可靠運(yùn)行提供了有力支持。

結(jié)論

用于離線式開關(guān)電源的內(nèi)部電源電路，雖然在整個(gè)電源系統(tǒng)中所占體積不大，但卻承擔(dān)著為核心電路供電、保障電源穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)。從啟動(dòng)電路的快速可靠啟動(dòng)，到供電電路的穩(wěn)定持續(xù)供電，再到穩(wěn)壓電路的精準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)電路的全方位安全防護(hù)，每個(gè)部分都緊密協(xié)作。不同類型的內(nèi)部電源電路各有優(yōu)劣，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的需求，如電源的功率大小、對(duì)效率和紋波的要求、成本限制以及電磁環(huán)境等因素，綜合考慮選擇合適的電路類型和設(shè)計(jì)方案。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來離線式開關(guān)電源的內(nèi)部電源電路將朝著更高效率、更低功耗、更小體積以及更強(qiáng)適應(yīng)性的方向發(fā)展，以滿足日益增長的電子設(shè)備對(duì)電源性能的嚴(yán)苛要求。