電源" target="_blank">開關(guān)電源，這一利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)的電源類型，通過控制開關(guān)管開通與關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓。它通常由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成，這兩種核心組件共同協(xié)作，確保電源的高效穩(wěn)定運行。

開關(guān)電源IC(集成電路)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包含以下核心模塊：

核心控制模塊

采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制器，通過調(diào)整脈沖寬度來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。例如，DC/DC降壓芯片通過檢測輸出電壓反饋信號，動態(tài)調(diào)整占空比以維持穩(wěn)定輸出。 ?

驅(qū)動電路

包含功率放大器或?qū)Ｓ抿?qū)動模塊，將控制信號轉(zhuǎn)換為足夠驅(qū)動功率MOS管的高電流信號。例如，LM2675芯片通過內(nèi)部運放電路放大驅(qū)動信號，控制外部MOS管的開關(guān)狀態(tài)。 ?

保護機制

集成過流保護、欠壓鎖定(UVLO)等功能模塊，當(dāng)輸入電壓異?；蜇撦d突變時自動關(guān)閉輸出或調(diào)整功率。部分高端芯片還包含EMI濾波模塊以減少電磁干擾。 ?

反饋回路

通過光耦或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測輸出電壓，將信號反饋至控制模塊實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。例如，光耦器件將輸出電壓變化轉(zhuǎn)換為電信號，調(diào)整PWM頻率補償電壓波動。 ?

不同型號的開關(guān)電源IC(如DC/DC、AC/DC轉(zhuǎn)換器)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在差異，但核心設(shè)計邏輯(PWM控制+功率輸出級)是共通的。 ?

開關(guān)電源的工作原理及其電路圖詳解

開關(guān)電源，顧名思義，其工作原理類似于一扇可控制的門。在這扇“門”的背后，實際上是由可控硅或開關(guān)管等元器件來執(zhí)行開啟和關(guān)閉的操作。這些元器件通過基極或控制極上的脈沖信號來控制其導(dǎo)通與截止。當(dāng)脈沖信號的正半周到來時，控制極上的電壓會升高，從而使得開關(guān)管或可控硅導(dǎo)通。此時，220V的電壓經(jīng)過整流和濾波后，會輸出一個300V的電壓，并通過開關(guān)變壓器傳遞到次級。通過變壓比的作用，這個電壓會被升高或降低，以供應(yīng)給各個電路使用。

而當(dāng)振蕩脈沖的負半周到來時，電源調(diào)整管的基極或可控硅的控制極電壓會降低到低于原先的設(shè)置值，導(dǎo)致電源調(diào)整管截止。這時，300V的電源會被關(guān)斷，開關(guān)變壓器的次級也就沒有了電壓。此時，各電路所需的工作電壓就由次級本路的整流濾波電容進行放電來維持。

如此循環(huán)往復(fù)，待到下一個脈沖信號的正半周再次到來時，整個過程會重新開始。這個開關(guān)變壓器被稱為高頻變壓器，其工作頻率遠高于50Hz的低頻。

那么，如何產(chǎn)生推動開關(guān)管或可控硅的脈沖信號呢?這需要借助一個振蕩電路來實現(xiàn)。晶體三極管在基極對發(fā)射極電壓達到0.65-0.7V時處于放大狀態(tài)，超過0.7V則進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，而在-0.1V至-0.3V之間則工作在振蕩狀態(tài)。通過調(diào)整其工作點并利用負反饋來產(chǎn)生負壓，從而使得振蕩管開始振蕩。振蕩管的頻率則由基極上的電容充放電的時間長短來決定，進而影響到電源調(diào)整管的輸出電壓大小。

那么，如何穩(wěn)壓開關(guān)變壓器次級輸出的工作電壓呢?通常，我們在開關(guān)變壓器上僅繞制一組線圈，利用其上端獲得的電壓經(jīng)過整流和濾波后，形成基準(zhǔn)電壓。隨后，通過光電耦合器將這個基準(zhǔn)電壓反饋至振蕩管的基極，從而調(diào)整振蕩頻率的高低。當(dāng)變壓器次級電壓升高時，取樣線圈輸出的電壓也會相應(yīng)升高，進而通過光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高。這個升高的電壓加到振蕩管基極上，會導(dǎo)致振蕩頻率降低，進而穩(wěn)定次級輸出電壓。詳細的工作原理過于復(fù)雜，我們只需了解大致過程即可。值得注意的是，大功率的電壓通過開關(guān)變壓器傳遞，并與后級電路隔開，以確保安全。同時，返回的取樣電壓也由光耦傳遞并與后級隔開，從而實現(xiàn)了前級市電電壓與后級的完全分離，這就是我們所說的冷板技術(shù)，確保了開關(guān)電源的安全性。

圖 開關(guān)電源原理圖

在這張開關(guān)電源工作原理圖中，我們可以清晰地看到電源的各個組成部分以及它們之間的相互作用。從輸入端的交流電源開始，經(jīng)過整流、濾波等處理，最終轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源輸出，為負載提供所需的電能。這個過程不僅涉及到電路的基本原理，還包括了功率轉(zhuǎn)換、電磁兼容等多方面的技術(shù)。通過這張原理圖，我們可以更深入地了解開關(guān)電源的工作機制和設(shè)計要點。

圖3 開關(guān)電源工作原理簡述

在這張開關(guān)電源原理圖中，我們可以簡要地了解到電源的工作流程。從輸入端的交流電源開始，經(jīng)過開關(guān)管的切換和變壓器的變壓作用，最終輸出穩(wěn)定的直流電源。這個過程不僅涉及到電路的基本知識，還包括了功率轉(zhuǎn)換、電磁兼容等復(fù)雜的技術(shù)。通過這張原理圖，我們可以對開關(guān)電源的工作原理有一個更加直觀和全面的認識。

在探討開關(guān)電源的工作原理時，我們遇到一個技術(shù)難點：在電流模式下，為了穩(wěn)定斜坡并確保占空比大于50%時的性能，需要引入斜坡補償。這一機制涉及到額外的補償斜坡，其具體實現(xiàn)方式相對復(fù)雜，需要深入理解。此外，誤差放大器在開關(guān)電源中扮演著至關(guān)重要的角色。它負責(zé)對反饋電壓進行采樣處理，進而調(diào)節(jié)驅(qū)動功率MOS管的PWM信號，從而確保輸出電流或電壓的恒定。這一過程如圖所示，通過誤差放大器的精準(zhǔn)控制，我們可以實現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定輸出。

驅(qū)動電路部分結(jié)構(gòu)相對簡潔，核心部件是面積廣闊的MOS管，其電流驅(qū)動能力十分出色。

其他模塊電路在芯片設(shè)計中扮演著不可或缺的角色，它們雖不直接涉及原理核心，卻對芯片的正?？煽抗ぷ髦陵P(guān)重要。具體而言，這些模塊電路包括啟動模塊和過壓保護模塊OVP等。啟動模塊的任務(wù)是在上電瞬間啟動芯片工作，避免晶體管電流在上電時為零并維持不變，導(dǎo)致芯片無法工作。其工作原理類似于“點火”過程，通過一系列開關(guān)操作，最終使芯片啟動并進入正常工作狀態(tài)。而過壓保護模塊OVP則是在輸入電壓超過設(shè)定值時發(fā)揮作用，通過開關(guān)管關(guān)斷輸出，從而保護芯片免受損壞。這一模塊通過比較器設(shè)定保護點，確保在危險情況下能夠及時作出反應(yīng)。

3、過溫保護模塊OTP

為了保護芯片免受異常高溫的損害，我們引入了過溫保護模塊OTP。其工作原理基于晶體管的溫度特性，通過比較器來設(shè)定保護點，從而在溫度過高時及時關(guān)斷輸出，確保芯片的安全。

4、過流保護模塊OCP

在諸如輸出短路等異常情況下，為了確保電路的安全，我們需要采取過流保護措施。過流保護模塊OCP通過實時監(jiān)測輸出電流，并根據(jù)檢測結(jié)果對輸出管進行反饋控制，實現(xiàn)關(guān)斷或限流功能。其工作原理是利用晶體管的電流與面積成正比這一特性進行電流采樣，通常采樣管Q2的面積僅為輸出管面積的千分之一。然后，通過電壓比較器對采樣信號與基準(zhǔn)電壓進行比較，從而控制MOS管的驅(qū)動，實現(xiàn)對過流的保護。

還有一些其他輔助模塊設(shè)計，例如恒流源和電流鏡。在集成電路(IC)內(nèi)部，偏置電流起著至關(guān)重要的作用，它決定了每個晶體管的工作狀態(tài)。恒流源電路作為所有電路的基石，為帶隙基準(zhǔn)的生成提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。而電流鏡則負責(zé)為各個功能模塊分配電流，其工作原理類似于鏡像，通過晶體管的面積比例來精確設(shè)置所需的電流大小。

深入剖析開關(guān)電源的內(nèi)部構(gòu)造

當(dāng)我們打開一臺開關(guān)電源時，首先映入眼簾的是密密麻麻的電子元件。

這些看似雜亂無章的小物件，實際上構(gòu)成了一個精密復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)。

在這個網(wǎng)絡(luò)中，每一個零件都扮演著至關(guān)重要的角色，共同協(xié)作以實現(xiàn)電源的功能需求。

那么，具體來說，開關(guān)電源內(nèi)部包含哪些主要組成部分呢?

輸入整流濾波電路是整個開關(guān)電源的第一道防線。

它的作用是對輸入的交流市電進行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電壓信號。

通常由橋式整流器和大容量電解電容組成。

橋式整流器負責(zé)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛎}動電流，而電解電容則進一步濾除其中的紋波成分，確保后續(xù)電路能夠獲得相對純凈的直流電。

緊接著是功率變換電路，這是開關(guān)電源的核心部分。

在這里，通過高頻變壓器和功率開關(guān)管等關(guān)鍵器件，實現(xiàn)了從初級側(cè)到次級側(cè)的能量傳遞過程。

功率開關(guān)管(如MOSFET或IGBT)根據(jù)控制信號周期性地導(dǎo)通與截止，使得初級繞組中的電流形成脈沖形式，進而產(chǎn)生交變磁場。

該磁場感應(yīng)至次級繞組后，經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)即可得到所需的穩(wěn)定直流輸出電壓。

為了保證輸出電壓的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，還需要引入反饋控制電路。

此電路通過檢測實際輸出值并與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進行比較，然后將誤差信號反饋給PWM控制器。

PWM控制器根據(jù)接收到的信息調(diào)整占空比大小，從而實時調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的工作狀態(tài)，最終達到精確調(diào)控輸出電壓的目的。

可以說，反饋控制電路就像一位盡職盡責(zé)的管家，時刻守護著電源系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

此外，還有許多輔助性功能模塊也不容忽視。

例如，保護電路可以有效防止因過載、短路或溫度過高而導(dǎo)致的損壞風(fēng)險;啟動電路則確保電源在接通電源瞬間能夠順利啟動并進入正常工作模式;而EMI濾波器則用于抑制電磁干擾，提升整體系統(tǒng)的抗擾性能。

看到這里，你可能會問：“既然開關(guān)電源如此復(fù)雜，那么它是如何一步步發(fā)展起來的呢?”

其實，早在20世紀60年代初，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，特別是晶體管的發(fā)明與應(yīng)用，為開關(guān)電源的誕生奠定了堅實基礎(chǔ)。

早期的開關(guān)電源主要用于軍事及航空航天等領(lǐng)域，因其具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點而備受關(guān)注。

隨后，在消費電子市場的推動下，開關(guān)電源逐漸走向民用化，并迅速普及開來。

隨著市場需求的變化和技術(shù)水平的不斷提升，開關(guān)電源的設(shè)計理念也經(jīng)歷了多次革新。

從最初的硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)到后來出現(xiàn)的軟開關(guān)技術(shù)，每一次改進都旨在提高效率、降低損耗并優(yōu)化性能表現(xiàn)。

同時，新材料的應(yīng)用也為開關(guān)電源帶來了新的發(fā)展機遇。

例如，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，使得功率器件能夠在更高頻率下穩(wěn)定工作，進一步提升了電源的整體效能。

如今，面對日益嚴峻的能源危機與環(huán)保壓力，如何進一步提高開關(guān)電源的能效成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

為此，研究人員正積極探索新型拓撲結(jié)構(gòu)、先進控制算法以及智能化管理方案等多種途徑，力求在保持原有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)更加綠色高效的能源轉(zhuǎn)換效果。

既然了解了開關(guān)電源內(nèi)部各主要組成部分的作用，接下來我們將重點探討其中一個最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)——功率變換電路的工作原理及其重要性。

功率變換電路：核心之所在

功率變換電路作為開關(guān)電源的心臟部位，承擔(dān)著將輸入能量高效轉(zhuǎn)換并傳輸至負載端的重大使命。

它的工作原理基于電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫定律等基本物理規(guī)律，通過巧妙運用這些理論知識，實現(xiàn)了從初級側(cè)到次級側(cè)的能量轉(zhuǎn)移過程。

具體來說，當(dāng)功率開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，初級繞組中的電流開始上升，形成儲能磁場;而當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，儲存于磁場中的能量便會釋放出來，經(jīng)由次級繞組傳遞給負載。

這種周期性的充放電循環(huán)構(gòu)成了開關(guān)電源最基本的運作機制。

值得注意的是，在整個過程中，高頻變壓器起到了至關(guān)重要的橋梁作用。

它不僅實現(xiàn)了初次級之間的電氣隔離，還通過合理設(shè)計匝數(shù)比關(guān)系，實現(xiàn)了對輸出電壓幅值的有效調(diào)控。

與此同時，變壓器本身也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如漏感問題、磁芯飽和現(xiàn)象等，這些問題如果處理不當(dāng)，將會嚴重影響電源系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

因此，在實際設(shè)計過程中，工程師們需要綜合考慮多方面因素，精心挑選合適的磁芯材料，并采取相應(yīng)的補償措施，以確保變壓器能夠長期穩(wěn)定可靠地工作。