用于离线式开关电源的内部电源电路

在现代电子设备中，离线式开关电源因其高效、紧凑等优点得到了广泛应用。从日常的手机充电器到复杂的工业设备电源，离线式开关电源无处不在。其内部电源电路作为关键组成部分，对整个电源系统的性能起着至关重要的作用。它不仅要为开关电源的控制芯片及其他内部电路提供稳定可靠的电源，还要在各种复杂的工作条件下保证自身的稳定性与安全性。

离线式开关电源工作原理概述

离线式开关电源主要负责将电网输入的交流电转换为适合电子设备使用的直流电。其工作过程通常包含多个环节。首先，交流电经过整流桥，将交流电转换为直流电，此时得到的直流电压会存在较大的波动。接着，该直流电压进入开关电路，开关管在控制信号的作用下快速导通与截止，通过变压器对电压进行变换，将电压调整到合适的数值。之后，经过整流、滤波等操作，输出稳定的直流电压供负载使用。在整个过程中，控制电路时刻监测输出电压和电流，通过反馈机制调整开关管的导通时间和频率，确保输出电压的稳定性。例如，当输出电压出现微小下降时，控制电路会适当延长开关管的导通时间，使变压器存储更多能量，从而提升输出电压，反之亦然。

内部电源电路的构成与设计要点

启动电路

启动电路的作用是在电源接通的瞬间，为开关电源芯片提供初始工作电压，使其能够开始正常工作。常见的启动方式有电阻分压启动和高压恒流源启动。电阻分压启动是通过几个电阻对输入的高压直流进行分压，获取一个较低的电压为芯片供电。这种方式结构简单，但在启动过程中电阻会消耗一定的功率，且在输入电压变化较大时，可能无法提供稳定的启动电压。高压恒流源启动则更为先进，像一些芯片内部集成了高压恒流源电路，能在较宽的输入电压范围内提供恒定的启动电流。以某款离线式开关电源芯片为例，其内部高压恒流源可在 85V - 265V 的交流输入电压下，为芯片提供稳定的启动电流，保证芯片能快速、可靠地启动，且启动功耗较低。

供电电路

供电电路负责在开关电源正常工作期间，持续为芯片及内部其他电路提供稳定的电源。一种常见的方式是利用变压器的辅助绕组，当开关电源工作时，变压器的主绕组在传输能量的同时，辅助绕组也会产生感应电压。该感应电压经过整流、滤波后，为芯片供电。这种方式能有效利用变压器的能量，且供电较为稳定。例如，在一个设计为输出 12V、2A 的离线式开关电源中，辅助绕组输出的电压经过整流滤波后，稳定在 5V，为芯片及部分控制电路提供电源。此外，还有一些芯片采用自供电技术，通过对开关电源内部的某些信号进行处理，实现自身供电，无需额外的辅助绕组，进一步简化了电路结构。

稳压电路

稳压电路对于保证内部电源电压的稳定性至关重要。其原理与开关电源整体的稳压原理类似，通过反馈机制来调整输出电压。在内部电源电路中，通常会有一个电压采样电路，实时监测输出电压。当输出电压发生变化时，采样电路将变化信号反馈给稳压控制芯片。稳压控制芯片根据反馈信号，调整供电电路中的某些参数，如开关管的导通时间或频率，从而使输出电压保持稳定。例如，当内部电源输出电压因负载变化等原因升高时，采样电路将高电压信号反馈给稳压控制芯片，芯片调整供电电路，缩短开关管导通时间，降低输出电压，使其恢复到设定值。

保护电路

保护电路是内部电源电路安全运行的保障。过压保护是防止输出电压过高损坏芯片及其他电路。当检测到输出电压超过设定的阈值时，保护电路会迅速动作，如切断供电电路或调整开关管的工作状态，使输出电压降低。欠压保护则是在输出电压过低时起作用，避免因电压过低导致芯片工作异常。过流保护用于防止过大的电流流过电路，损坏元件。当检测到电流超过安全值时，保护电路会限制电流或切断电路。例如，在某一内部电源电路中，当电流超过 2A 时，过流保护电路启动，通过降低开关管的导通程度，将电流限制在安全范围内。此外，还有过热保护，当电路温度过高时，保护电路会采取措施降低温度，如降低开关频率或停止电路工作，待温度恢复正常后再重新启动。

内部电源电路的常见类型

基于线性稳压器的内部电源电路

线性稳压器工作原理是通过调整晶体管的导通程度来稳定输出电压。在内部电源电路中，线性稳压器能提供较为纯净的电源输出，纹波较小。其优点是电路结构简单，成本较低，对输入电压的适应性较强。例如，在一些对电源纹波要求较高且功率需求较小的芯片供电中，常采用线性稳压器作为内部电源电路的一部分。然而，线性稳压器的缺点也较为明显，其效率相对较低，尤其是在输入输出电压差较大时，晶体管会消耗大量的功率，导致芯片发热严重。在输入电压为 12V，输出电压为 5V，负载电流为 100mA 的情况下，线性稳压器的效率可能只有 40% 左右。

基于开关稳压器的内部电源电路

开关稳压器利用开关管的高速导通与截止来实现电压转换，效率较高。在内部电源电路中，开关稳压器能够在较宽的负载范围内保持高效率。它可以通过调节开关管的占空比来精确控制输出电压。例如，在一款需要为多个芯片供电的离线式开关电源中，采用开关稳压器作为内部电源电路，能够高效地将变压器辅助绕组输出的电压转换为不同芯片所需的电压值。开关稳压器的优点是效率高，能够适应较大的负载变化，可通过调整电路参数实现升压、降压或升降压等多种功能。不过，其缺点是电路相对复杂，会产生一定的电磁干扰，需要精心设计滤波电路来降低干扰对其他电路的影响。

应用案例分析

在一款智能手机充电器的离线式开关电源中，内部电源电路采用了高压恒流源启动和变压器辅助绕组供电相结合的方式。启动时，高压恒流源迅速为芯片提供启动电流，使电源快速启动。正常工作时，变压器辅助绕组输出的电压经过整流滤波后，为芯片及控制电路稳定供电。内部电源电路中的稳压电路确保输出电压的稳定性，保护电路则保证了在各种异常情况下电源的安全。这款充电器在不同的输入电压和负载条件下，都能稳定工作，为手机提供可靠的充电电源，且具有较高的转换效率和较低的发热量。

在工业自动化设备中，某款控制器的离线式开关电源内部电源电路采用了自供电技术和开关稳压器。自供电技术简化了电路结构，减少了元件数量，降低了成本和故障率。开关稳压器则保证了为控制器芯片及其他电路提供高效、稳定的电源。该内部电源电路在复杂的工业电磁环境中，能够稳定工作，为工业自动化设备的可靠运行提供了有力支持。

结论

用于离线式开关电源的内部电源电路，虽然在整个电源系统中所占体积不大，但却承担着为核心电路供电、保障电源稳定运行的关键任务。从启动电路的快速可靠启动，到供电电路的稳定持续供电，再到稳压电路的精准电压调节和保护电路的全方位安全防护，每个部分都紧密协作。不同类型的内部电源电路各有优劣，在实际应用中需要根据具体的需求，如电源的功率大小、对效率和纹波的要求、成本限制以及电磁环境等因素，综合考虑选择合适的电路类型和设计方案。随着电子技术的不断发展，未来离线式开关电源的内部电源电路将朝着更高效率、更低功耗、更小体积以及更强适应性的方向发展，以满足日益增长的电子设备对电源性能的严苛要求。