深入分析开关电源芯片内部电路

电源" target="_blank">开关电源，这一利用现代电子电力技术的电源类型，通过控制开关管开通与关断的时间比率，维持稳定的输出电压。它通常由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成，这两种核心组件共同协作，确保电源的高效稳定运行。

开关电源IC(集成电路)的内部结构通常包含以下核心模块：

核心控制模块

采用PWM(脉冲宽度调制)控制器，通过调整脉冲宽度来控制功率开关管的导通时间，实现电压调节。例如，DC/DC降压芯片通过检测输出电压反馈信号，动态调整占空比以维持稳定输出。 ‌

驱动电路

包含功率放大器或专用驱动模块，将控制信号转换为足够驱动功率MOS管的高电流信号。例如，LM2675芯片通过内部运放电路放大驱动信号，控制外部MOS管的开关状态。 ‌

保护机制

集成过流保护、欠压锁定(UVLO)等功能模块，当输入电压异常或负载突变时自动关闭输出或调整功率。部分高端芯片还包含EMI滤波模块以减少电磁干扰。 ‌

反馈回路

通过光耦或电阻分压网络监测输出电压，将信号反馈至控制模块实现闭环调节。例如，光耦器件将输出电压变化转换为电信号，调整PWM频率补偿电压波动。 ‌

不同型号的开关电源IC(如DC/DC、AC/DC转换器)在内部结构上存在差异，但核心设计逻辑(PWM控制+功率输出级)是共通的。 ‌

开关电源的工作原理及其电路图详解

开关电源，顾名思义，其工作原理类似于一扇可控制的门。在这扇“门”的背后，实际上是由可控硅或开关管等元器件来执行开启和关闭的操作。这些元器件通过基极或控制极上的脉冲信号来控制其导通与截止。当脉冲信号的正半周到来时，控制极上的电压会升高，从而使得开关管或可控硅导通。此时，220V的电压经过整流和滤波后，会输出一个300V的电压，并通过开关变压器传递到次级。通过变压比的作用，这个电压会被升高或降低，以供应给各个电路使用。

而当振荡脉冲的负半周到来时，电源调整管的基极或可控硅的控制极电压会降低到低于原先的设置值，导致电源调整管截止。这时，300V的电源会被关断，开关变压器的次级也就没有了电压。此时，各电路所需的工作电压就由次级本路的整流滤波电容进行放电来维持。

如此循环往复，待到下一个脉冲信号的正半周再次到来时，整个过程会重新开始。这个开关变压器被称为高频变压器，其工作频率远高于50Hz的低频。

那么，如何产生推动开关管或可控硅的脉冲信号呢?这需要借助一个振荡电路来实现。晶体三极管在基极对发射极电压达到0.65-0.7V时处于放大状态，超过0.7V则进入饱和导通状态，而在-0.1V至-0.3V之间则工作在振荡状态。通过调整其工作点并利用负反馈来产生负压，从而使得振荡管开始振荡。振荡管的频率则由基极上的电容充放电的时间长短来决定，进而影响到电源调整管的输出电压大小。

那么，如何稳压开关变压器次级输出的工作电压呢?通常，我们在开关变压器上仅绕制一组线圈，利用其上端获得的电压经过整流和滤波后，形成基准电压。随后，通过光电耦合器将这个基准电压反馈至振荡管的基极，从而调整振荡频率的高低。当变压器次级电压升高时，取样线圈输出的电压也会相应升高，进而通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高。这个升高的电压加到振荡管基极上，会导致振荡频率降低，进而稳定次级输出电压。详细的工作原理过于复杂，我们只需了解大致过程即可。值得注意的是，大功率的电压通过开关变压器传递，并与后级电路隔开，以确保安全。同时，返回的取样电压也由光耦传递并与后级隔开，从而实现了前级市电电压与后级的完全分离，这就是我们所说的冷板技术，确保了开关电源的安全性。

图 开关电源原理图

在这张开关电源工作原理图中，我们可以清晰地看到电源的各个组成部分以及它们之间的相互作用。从输入端的交流电源开始，经过整流、滤波等处理，最终转换为稳定的直流电源输出，为负载提供所需的电能。这个过程不仅涉及到电路的基本原理，还包括了功率转换、电磁兼容等多方面的技术。通过这张原理图，我们可以更深入地了解开关电源的工作机制和设计要点。

图3 开关电源工作原理简述

在这张开关电源原理图中，我们可以简要地了解到电源的工作流程。从输入端的交流电源开始，经过开关管的切换和变压器的变压作用，最终输出稳定的直流电源。这个过程不仅涉及到电路的基本知识，还包括了功率转换、电磁兼容等复杂的技术。通过这张原理图，我们可以对开关电源的工作原理有一个更加直观和全面的认识。

在探讨开关电源的工作原理时，我们遇到一个技术难点：在电流模式下，为了稳定斜坡并确保占空比大于50%时的性能，需要引入斜坡补偿。这一机制涉及到额外的补偿斜坡，其具体实现方式相对复杂，需要深入理解。此外，误差放大器在开关电源中扮演着至关重要的角色。它负责对反馈电压进行采样处理，进而调节驱动功率MOS管的PWM信号，从而确保输出电流或电压的恒定。这一过程如图所示，通过误差放大器的精准控制，我们可以实现开关电源的稳定输出。

驱动电路部分结构相对简洁，核心部件是面积广阔的MOS管，其电流驱动能力十分出色。

其他模块电路在芯片设计中扮演着不可或缺的角色，它们虽不直接涉及原理核心，却对芯片的正常可靠工作至关重要。具体而言，这些模块电路包括启动模块和过压保护模块OVP等。启动模块的任务是在上电瞬间启动芯片工作，避免晶体管电流在上电时为零并维持不变，导致芯片无法工作。其工作原理类似于“点火”过程，通过一系列开关操作，最终使芯片启动并进入正常工作状态。而过压保护模块OVP则是在输入电压超过设定值时发挥作用，通过开关管关断输出，从而保护芯片免受损坏。这一模块通过比较器设定保护点，确保在危险情况下能够及时作出反应。

3、过温保护模块OTP

为了保护芯片免受异常高温的损害，我们引入了过温保护模块OTP。其工作原理基于晶体管的温度特性，通过比较器来设定保护点，从而在温度过高时及时关断输出，确保芯片的安全。

4、过流保护模块OCP

在诸如输出短路等异常情况下，为了确保电路的安全，我们需要采取过流保护措施。过流保护模块OCP通过实时监测输出电流，并根据检测结果对输出管进行反馈控制，实现关断或限流功能。其工作原理是利用晶体管的电流与面积成正比这一特性进行电流采样，通常采样管Q2的面积仅为输出管面积的千分之一。然后，通过电压比较器对采样信号与基准电压进行比较，从而控制MOS管的驱动，实现对过流的保护。

还有一些其他辅助模块设计，例如恒流源和电流镜。在集成电路(IC)内部，偏置电流起着至关重要的作用，它决定了每个晶体管的工作状态。恒流源电路作为所有电路的基石，为带隙基准的生成提供了稳定的基础。而电流镜则负责为各个功能模块分配电流，其工作原理类似于镜像，通过晶体管的面积比例来精确设置所需的电流大小。

深入剖析开关电源的内部构造

当我们打开一台开关电源时，首先映入眼帘的是密密麻麻的电子元件。

这些看似杂乱无章的小物件，实际上构成了一个精密复杂的电路网络。

在这个网络中，每一个零件都扮演着至关重要的角色，共同协作以实现电源的功能需求。

那么，具体来说，开关电源内部包含哪些主要组成部分呢?

输入整流滤波电路是整个开关电源的第一道防线。

它的作用是对输入的交流市电进行初步处理，将其转化为较为平滑的直流电压信号。

通常由桥式整流器和大容量电解电容组成。

桥式整流器负责将交流电转变为单向脉动电流，而电解电容则进一步滤除其中的纹波成分，确保后续电路能够获得相对纯净的直流电。

紧接着是功率变换电路，这是开关电源的核心部分。

在这里，通过高频变压器和功率开关管等关键器件，实现了从初级侧到次级侧的能量传递过程。

功率开关管(如MOSFET或IGBT)根据控制信号周期性地导通与截止，使得初级绕组中的电流形成脉冲形式，进而产生交变磁场。

该磁场感应至次级绕组后，经过整流滤波环节即可得到所需的稳定直流输出电压。

为了保证输出电压的准确性与稳定性，还需要引入反馈控制电路。

此电路通过检测实际输出值并与预设目标值进行比较，然后将误差信号反馈给PWM控制器。

PWM控制器根据接收到的信息调整占空比大小，从而实时调节功率开关管的工作状态，最终达到精确调控输出电压的目的。

可以说，反馈控制电路就像一位尽职尽责的管家，时刻守护着电源系统的正常运转。

此外，还有许多辅助性功能模块也不容忽视。

例如，保护电路可以有效防止因过载、短路或温度过高而导致的损坏风险;启动电路则确保电源在接通电源瞬间能够顺利启动并进入正常工作模式;而EMI滤波器则用于抑制电磁干扰，提升整体系统的抗扰性能。

看到这里，你可能会问：“既然开关电源如此复杂，那么它是如何一步步发展起来的呢?”

其实，早在20世纪60年代初，随着半导体技术的进步，特别是晶体管的发明与应用，为开关电源的诞生奠定了坚实基础。

早期的开关电源主要用于军事及航空航天等领域，因其具有体积小、重量轻、效率高等优点而备受关注。

随后，在消费电子市场的推动下，开关电源逐渐走向民用化，并迅速普及开来。

随着市场需求的变化和技术水平的不断提升，开关电源的设计理念也经历了多次革新。

从最初的硬开关拓扑结构到后来出现的软开关技术，每一次改进都旨在提高效率、降低损耗并优化性能表现。

同时，新材料的应用也为开关电源带来了新的发展机遇。

例如，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料的出现，使得功率器件能够在更高频率下稳定工作，进一步提升了电源的整体效能。

如今，面对日益严峻的能源危机与环保压力，如何进一步提高开关电源的能效成为业界关注的焦点。

为此，研究人员正积极探索新型拓扑结构、先进控制算法以及智能化管理方案等多种途径，力求在保持原有优势的基础上，实现更加绿色高效的能源转换效果。

既然了解了开关电源内部各主要组成部分的作用，接下来我们将重点探讨其中一个最为关键的环节——功率变换电路的工作原理及其重要性。

功率变换电路：核心之所在

功率变换电路作为开关电源的心脏部位，承担着将输入能量高效转换并传输至负载端的重大使命。

它的工作原理基于电磁感应定律和基尔霍夫定律等基本物理规律，通过巧妙运用这些理论知识，实现了从初级侧到次级侧的能量转移过程。

具体来说，当功率开关管处于导通状态时，初级绕组中的电流开始上升，形成储能磁场;而当开关管关闭时，储存于磁场中的能量便会释放出来，经由次级绕组传递给负载。

这种周期性的充放电循环构成了开关电源最基本的运作机制。

值得注意的是，在整个过程中，高频变压器起到了至关重要的桥梁作用。

它不仅实现了初次级之间的电气隔离，还通过合理设计匝数比关系，实现了对输出电压幅值的有效调控。

与此同时，变压器本身也面临着诸多挑战，如漏感问题、磁芯饱和现象等，这些问题如果处理不当，将会严重影响电源系统的性能表现。

因此，在实际设计过程中，工程师们需要综合考虑多方面因素，精心挑选合适的磁芯材料，并采取相应的补偿措施，以确保变压器能够长期稳定可靠地工作。