開(kāi)關(guān)電源概述

開(kāi)關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS），又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開(kāi)關(guān)電源工作原理

對(duì)于熱愛(ài)電源物理的人來(lái)所，其實(shí)還是很好理解開(kāi)關(guān)電源工作原理的，在線性電源中，功率晶體管在工作，而線性電源中導(dǎo)致閉合或者是斷開(kāi)的則是PWM開(kāi)關(guān)電源，在閉合、斷開(kāi)兩種的狀態(tài)之下，加上功率晶體管的電壓是比較小的，就會(huì)成產(chǎn)很大的電流，關(guān)閉開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候，則是反過(guò)來(lái)的，電壓大，而電流就會(huì)特別的小，而控制開(kāi)關(guān)電源工作原理的控制器，就是為了能夠更好的保持穩(wěn)定性，從而給人們的生活環(huán)境帶來(lái)安全。

開(kāi)關(guān)電源工作原理及工作條件

除了以上講述的開(kāi)關(guān)電源工作原理之外，而開(kāi)關(guān)電源工作原理在運(yùn)行的時(shí)候，開(kāi)關(guān)電源也是一定的工作條件的，比如開(kāi)關(guān)，在工作的時(shí)候，不是線性狀態(tài)，而是在電子電器工作之下呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)；另外，直流，開(kāi)關(guān)電源在工作時(shí)候，是直流，不是交流；最后一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的高頻，在電子電器工作狀態(tài)之下，是高頻， 而不是接近于工作的低頻狀態(tài)哦！在開(kāi)關(guān)電源工作原理中，這些工作條件是一定的。

開(kāi)關(guān)電源IC內(nèi)部電路解析

LM2675-5.0的典型應(yīng)用電路

打開(kāi)LM2675的DataSheet，首先看看框圖

這個(gè)圖包含了電源芯片的內(nèi)部全部單元模塊，BUCK結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)很理解了，這個(gè)芯片的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)FB腳檢測(cè)輸出狀態(tài)來(lái)形成環(huán)路控制PWM驅(qū)動(dòng)功率MOS管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或者恒流輸出。這是一個(gè)非同步模式電源，即續(xù)流器件為外部二極管，而不是內(nèi)部MOS管。

接下來(lái)分析各個(gè)功能是怎么實(shí)現(xiàn)的

（一）基準(zhǔn)電壓

類(lèi)似于板級(jí)電路設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電源，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為芯片其他電路提供穩(wěn)定的參考電壓。這個(gè)基準(zhǔn)電壓要求高精度、穩(wěn)定性好、溫漂小。芯片內(nèi)部的參考電壓又被稱(chēng)為帶隙基準(zhǔn)電壓，因?yàn)檫@個(gè)電壓值和硅的帶隙電壓相近，因此被稱(chēng)為帶隙基準(zhǔn)。這個(gè)值為1.2V左右，如下圖的一種結(jié)構(gòu)：

這里要回到課本講公式，PN結(jié)的電流和電壓公式：

可以看出是指數(shù)關(guān)系，Is是反向飽和漏電流（即PN結(jié)因?yàn)樯僮悠圃斐傻穆╇娏鳎＿@個(gè)電流和PN結(jié)的面積成正比！即Is->S。

如此就可以推導(dǎo)出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !

回到上圖，由運(yùn)放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因?yàn)镸3和M4的柵極電壓相同，因此電流I1=I2，所以推導(dǎo)出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1)  N是Q1 Q2的PN結(jié)面積之比！

回到上圖，由運(yùn)放分析VX=VY，那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，這樣可得：I1=△Vbe/R1，而且因?yàn)镸3和M4的柵極電壓相同，因此電流I1=I2，所以推導(dǎo)出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1)  N是Q1 Q2的PN結(jié)面積之比！

這樣我們最后得到基準(zhǔn)Vref=I2*R2+Vbe2，關(guān)鍵點(diǎn)：I1是正溫度系數(shù)的，而Vbe是負(fù)溫度系數(shù)的，再通過(guò)N值調(diào)節(jié)一下，可是實(shí)現(xiàn)很好的溫度補(bǔ)償！得到穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。N一般業(yè)界按照8設(shè)計(jì)，要想實(shí)現(xiàn)零溫度系 數(shù)，根據(jù)公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以大概在1.2V左右的，目前在低壓領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)小于1V的基準(zhǔn)，而且除了溫度系數(shù)還有電源紋波抑制PSRR等問(wèn)題，限于水平?jīng)]法深入了。最后的簡(jiǎn)圖就是這樣，運(yùn)放的設(shè)計(jì)當(dāng)然也非常講究：

如圖溫度特性仿真：

（二）振蕩器OSC和PWM

我們知道開(kāi)關(guān)電源的基本原理是利用PWM方波來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOS管，那么自然需要產(chǎn)生振蕩的模塊，原理很簡(jiǎn)單，就是利用電容的充放電形成鋸齒波和比較器來(lái)生成占空比可調(diào)的方波。

最后詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖是這樣的：

這里有個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是在電流模式下的斜坡補(bǔ)償，針對(duì)的是占空比大于50%時(shí)為了穩(wěn)定斜坡，額外增加了補(bǔ)償斜坡。

（三）誤差放大器

誤差放大器的作用是為了保證輸出恒流或者恒壓，對(duì)反饋電壓進(jìn)行采樣處理。從而來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)MOS管的PWM，如簡(jiǎn)圖：

（四）驅(qū)動(dòng)電路

最后的驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是很大面積的MOS管，電流能力強(qiáng)。

（五）其他模塊電路

這里的其他模塊電路是為了保證芯片能夠正常和可靠的工作，雖然不是原理的核心，卻實(shí)實(shí)在在的在芯片的設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。

具體說(shuō)來(lái)有幾種功能：

1、啟動(dòng)模塊

啟動(dòng)模塊的作用自然是來(lái)啟動(dòng)芯片工作的，因?yàn)樯想娝查g有可能所有晶體管電流為0并維持不變，這樣沒(méi)法工作。啟動(dòng)電路的作用就是相當(dāng)于“點(diǎn)個(gè)火”，然后再關(guān)閉。如圖：

上電瞬間，S3自然是打開(kāi)的，然后S2打開(kāi)可以打開(kāi)M4 Q1等，就打開(kāi)了M1 M2，右邊恒流源電路正常工作，S1也打開(kāi)了，就把S2給關(guān)閉了，完成啟動(dòng)。如果沒(méi)有S1 S2 S3，瞬間所有晶體管電流為0。

2、過(guò)壓保護(hù)模塊OVP

很好理解，輸入電壓太高時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)管來(lái)關(guān)斷輸出，避免損壞，通過(guò)比較器可以設(shè)置一個(gè)保護(hù)點(diǎn)。

3、過(guò)溫保護(hù)模塊OTP

溫度保護(hù)是為了防止芯片異常高溫?fù)p壞，原理比較簡(jiǎn)單，利用晶體管的溫度特性然后通過(guò)比較器設(shè)置保護(hù)點(diǎn)來(lái)關(guān)斷輸出。

4、過(guò)流保護(hù)模塊OCP

在譬如輸出短路的情況下，通過(guò)檢測(cè)輸出電流來(lái)反饋控制輸出管的狀態(tài)，可以關(guān)斷或者限流。如圖的電流采樣，利用晶體管的電流和面積成正比來(lái)采樣，一般采樣管Q2的面積會(huì)是輸出管面積的千分之一，然后通過(guò)電壓比較器來(lái)控制MOS管的驅(qū)動(dòng)。

還有一些其他輔助模塊設(shè)計(jì)。

（六）恒流源和電流鏡

在IC內(nèi)部，如何來(lái)設(shè)置每一個(gè)晶體管的工作狀態(tài)，就是通過(guò)偏置電流，恒流源電路可以說(shuō)是所有電路的基石，帶隙基準(zhǔn)也是因此產(chǎn)生的，然后通過(guò)電流鏡來(lái)為每一個(gè)功能模塊提供電流，電流鏡就是通過(guò)晶體管的面積來(lái)設(shè)置需要的電流大小，類(lèi)似鏡像。

總結(jié)

以上大概就是一顆DC/DC電源芯片LM2675的內(nèi)部全部結(jié)構(gòu)，也算是把以前的皮毛知識(shí)復(fù)習(xí)了一下。當(dāng)然，這只是原理上的基本架構(gòu)，具體設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮非常多的參數(shù)特性，需要作大量的分析和仿真，而且必須要對(duì)半導(dǎo)體工藝參數(shù)有很深的理解，因?yàn)橹圃旃に嚊Q定了晶體管的很多參數(shù)和性能，一不小心出來(lái)的芯片就有缺陷甚至根本沒(méi)法應(yīng)用。
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