开关电源,开关电源IC内部电路

开关电源概述

开(kai)(kai)(kai)关模(mo)式电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)（Switch Mode Power Supply，简(jian)称SMPS），又称交换(huan)式电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)、开(kai)(kai)(kai)关变(bian)换(huan)器(qi)，是(shi)一(yi)种高频化电(dian)(dian)能转(zhuan)换(huan)装(zhuang)置(zhi)，是(shi)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)供应器(qi)的一(yi)种。其功能是(shi)将一(yi)个位准的电(dian)(dian)压，透过不同形式的架构转(zhuan)换(huan)为用户(hu)端所需求的电(dian)(dian)压或电(dian)(dian)流(liu)。开(kai)(kai)(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的输入多半(ban)是(shi)交流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)（例(li)如(ru)市电(dian)(dian)）或是(shi)直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，而输出多半(ban)是(shi)需要直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的设备，例(li)如(ru)个人电(dian)(dian)脑，而开(kai)(kai)(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)就进行两者(zhe)之间电(dian)(dian)压及(ji)电(dian)(dian)流(liu)的转(zhuan)换(huan)。

开关电源工作原理

对(dui)于(yu)热(re)爱电(dian)(dian)源(yuan)物理(li)的(de)(de)(de)(de)人来所，其实(shi)还是(shi)很好理(li)解开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)原理(li)的(de)(de)(de)(de)，在线(xian)性(xing)电(dian)(dian)源(yuan)中，功(gong)率(lv)晶体管在工(gong)作(zuo)，而线(xian)性(xing)电(dian)(dian)源(yuan)中导致闭(bi)(bi)(bi)合或者是(shi)断开(kai)的(de)(de)(de)(de)则是(shi)PWM开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)，在闭(bi)(bi)(bi)合、断开(kai)两种的(de)(de)(de)(de)状态之下(xia)，加(jia)上(shang)功(gong)率(lv)晶体管的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)是(shi)比较(jiao)小的(de)(de)(de)(de)，就会成(cheng)产很大的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)，关闭(bi)(bi)(bi)开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)时候，则是(shi)反过来的(de)(de)(de)(de)，电(dian)(dian)压(ya)(ya)大，而电(dian)(dian)流(liu)就会特别的(de)(de)(de)(de)小，而控(kong)制开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)原理(li)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制器(qi)，就是(shi)为了能够更好的(de)(de)(de)(de)保持(chi)稳定性(xing)，从而给人们的(de)(de)(de)(de)生活环境带来安全。

开关电源工作原理及工作条件

除了以上讲述的(de)开(kai)关(guan)电源(yuan)工(gong)作(zuo)原理之(zhi)外，而开(kai)关(guan)电源(yuan)工(gong)作(zuo)原理在(zai)运(yun)行的(de)时(shi)(shi)候，开(kai)关(guan)电源(yuan)也是(shi)一定(ding)的(de)工(gong)作(zuo)条件(jian)的(de)，比如开(kai)关(guan)，在(zai)工(gong)作(zuo)的(de)时(shi)(shi)候，不(bu)是(shi)线性状态，而是(shi)在(zai)电子(zi)电器工(gong)作(zuo)之(zhi)下呈现开(kai)关(guan)状态；另外，直流，开(kai)关(guan)电源(yuan)在(zai)工(gong)作(zuo)时(shi)(shi)候，是(shi)直流，不(bu)是(shi)交流；最后(hou)一个开(kai)关(guan)电源(yuan)的(de)高(gao)频(pin)，在(zai)电子(zi)电器工(gong)作(zuo)状态之(zhi)下，是(shi)高(gao)频(pin)， 而不(bu)是(shi)接(jie)近于(yu)工(gong)作(zuo)的(de)低(di)频(pin)状态哦！在(zai)开(kai)关(guan)电源(yuan)工(gong)作(zuo)原理中，这些工(gong)作(zuo)条件(jian)是(shi)一定(ding)的(de)。

开关电源IC内部电路解析

LM2675-5.0的(de)典型(xing)应用电路

打(da)开LM2675的DataSheet，首先看(kan)看(kan)框图

这个(ge)图(tu)包含了电(dian)源芯(xin)片的(de)(de)内(nei)部全部单元(yuan)模块，BUCK结构我们已经很理(li)解了，这个(ge)芯(xin)片的(de)(de)主(zhu)要功(gong)能是(shi)实(shi)现对MOS管的(de)(de)驱(qu)动(dong)，并通过(guo)FB脚(jiao)检测输(shu)出(chu)状(zhuang)态来形成环(huan)路控制PWM驱(qu)动(dong)功(gong)率MOS管，实(shi)现稳压或者恒流输(shu)出(chu)。这是(shi)一个(ge)非同步模式电(dian)源，即续(xu)流器件为外部二极(ji)管，而不(bu)是(shi)内(nei)部MOS管。

接下来分(fen)析各个功能是怎么实现的(de)

（一）基准电压

类似于板级(ji)电(dian)路设(she)计的(de)(de)基(ji)准电(dian)源，芯(xin)片(pian)内(nei)部基(ji)准电(dian)压为(wei)芯(xin)片(pian)其他电(dian)路提供稳定的(de)(de)参考(kao)电(dian)压。这个基(ji)准电(dian)压要求高精度(du)、稳定性(xing)好、温漂小。芯(xin)片(pian)内(nei)部的(de)(de)参考(kao)电(dian)压又被(bei)称为(wei)带隙(xi)(xi)基(ji)准电(dian)压，因为(wei)这个电(dian)压值(zhi)和硅的(de)(de)带隙(xi)(xi)电(dian)压相近(jin)，因此被(bei)称为(wei)带隙(xi)(xi)基(ji)准。这个值(zhi)为(wei)1.2V左(zuo)右(you)，如(ru)下图的(de)(de)一种(zhong)结(jie)构(gou)：

这里要回到课本讲(jiang)公式，PN结的电流和电压公式：

可以(yi)看(kan)出(chu)是(shi)指数关系，Is是(shi)反向饱和(he)(he)漏电流(liu)（即(ji)PN结因为(wei)少子漂移造成(cheng)的漏电流(liu)）。这个电流(liu)和(he)(he)PN结的面积成(cheng)正(zheng)比！即(ji)Is->S。

如此就可以(yi)推导(dao)出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !

回到上(shang)图，由运放分析VX=VY，那么(me)就是I1*R1+Vbe1=Vbe2，这样可得：I1=△Vbe/R1，而且因为M3和M4的栅极电压相同，因此电流I1=I2，所以推导出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1)  ;N是Q1 Q2的PN结面积(ji)之比！

回到上图，由运放分析(xi)VX=VY，那(nei)么(me)就是(shi)I1*R1+Vbe1=Vbe2，这(zhei)样可得：I1=△Vbe/R1，而且(qie)因为M3和M4的栅极电压(ya)相同(tong)，因此(ci)电流I1=I2，所以(yi)推导出公式：I1=I2=VT*ln(N/R1)  N是(shi)Q1 Q2的PN结面积之比！

这(zhei)样我们(men)最后(hou)得(de)到基准Vref=I2*R2+Vbe2，关(guan)键点：I1是(shi)(shi)正温(wen)度系(xi)数的(de)，而Vbe是(shi)(shi)负温(wen)度系(xi)数的(de)，再通过N值调节一(yi)下，可是(shi)(shi)实(shi)现(xian)(xian)很好的(de)温(wen)度补偿(chang)！得(de)到稳定的(de)基准电压(ya)。N一(yi)般业界(jie)按照8设(she)计，要(yao)想实(shi)现(xian)(xian)零(ling)温(wen)度系(xi) 数，根(gen)据(ju)公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以大概(gai)在(zai)(zai)1.2V左(zuo)右的(de)，目(mu)前(qian)在(zai)(zai)低压(ya)领域可以实(shi)现(xian)(xian)小于(yu)1V的(de)基准，而且除(chu)了温(wen)度系(xi)数还有电源纹波(bo)抑制PSRR等问(wen)题(ti)，限(xian)于(yu)水平没法深入了。最后(hou)的(de)简图就是(shi)(shi)这(zhei)样，运(yun)放的(de)设(she)计当然也非(fei)常(chang)讲究(jiu)：

如(ru)图温度特性仿真(zhen)：

（二）振荡器OSC和PWM

我(wo)们知道(dao)开关(guan)电源的(de)基(ji)本原理(li)是(shi)(shi)利(li)(li)用PWM方波(bo)来(lai)驱动功(gong)率MOS管，那(nei)么自(zi)然需(xu)要产(chan)生(sheng)振荡的(de)模块，原理(li)很简单，就是(shi)(shi)利(li)(li)用电容的(de)充放电形成锯(ju)齿(chi)波(bo)和比(bi)较(jiao)器(qi)来(lai)生(sheng)成占空比(bi)可(ke)调的(de)方波(bo)。

最后(hou)详细的电路(lu)设计图(tu)是这样的：

这里有(you)个技术难(nan)点是(shi)在电(dian)流模(mo)式下的斜坡补偿，针(zhen)对的是(shi)占空比大于50%时为(wei)了稳定斜坡，额外增加了补偿斜坡。

（三）误差放大器

误差放大器(qi)的作用是为了保证(zheng)输(shu)出恒流或者恒压，对(dui)反馈电压进行(xing)采样处理(li)。从而(er)来调节驱动MOS管的PWM，如(ru)简图(tu)：

（四）驱动电路

最后的驱动(dong)部分结构(gou)很简单，就是很大面(mian)积(ji)的MOS管，电(dian)流能力强(qiang)。

（五）其他模块电路

这(zhei)里的(de)(de)其他模块电路是(shi)为了保证(zheng)芯片(pian)(pian)能够(gou)正常和可靠(kao)的(de)(de)工(gong)作，虽然不(bu)是(shi)原理的(de)(de)核心，却实(shi)实(shi)在在的(de)(de)在芯片(pian)(pian)的(de)(de)设计中(zhong)占据重(zhong)要位(wei)置。

具体说来有几种功能：

1、启动模块

启动(dong)模块的作(zuo)(zuo)(zuo)用自然是来启动(dong)芯片工作(zuo)(zuo)(zuo)的，因为上电瞬间有(you)可能所(suo)有(you)晶体管电流(liu)为0并维持不(bu)变，这样没法(fa)工作(zuo)(zuo)(zuo)。启动(dong)电路的作(zuo)(zuo)(zuo)用就是相当于“点个火”，然后再关闭。如图(tu)：

上电(dian)瞬(shun)(shun)间(jian)，S3自然(ran)是打(da)开(kai)(kai)的，然(ran)后S2打(da)开(kai)(kai)可以打(da)开(kai)(kai)M4 Q1等，就打(da)开(kai)(kai)了(le)M1 M2，右(you)边恒流(liu)源电(dian)路正常工作，S1也(ye)打(da)开(kai)(kai)了(le)，就把(ba)S2给关(guan)闭了(le)，完成(cheng)启动。如(ru)果没有S1 S2 S3，瞬(shun)(shun)间(jian)所有晶体管电(dian)流(liu)为(wei)0。

2、过压保护模块OVP

很好理(li)解，输入电(dian)压太高(gao)时，通过开关(guan)管(guan)来关(guan)断输出，避免损坏，通过比较器可以设置一个(ge)保护(hu)点。

3、过温保护模块OTP

温(wen)度(du)保护(hu)是为了防止芯片异常高(gao)温(wen)损(sun)坏(huai)，原理(li)比较(jiao)简单，利用晶体管的温(wen)度(du)特(te)性然(ran)后通过比较(jiao)器设(she)置(zhi)保护(hu)点来关断输(shu)出。

4、过流保护模块OCP

在譬如(ru)输出短(duan)路的(de)(de)(de)(de)情况(kuang)下，通过(guo)检测输出电(dian)流来(lai)(lai)反馈控制输出管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)状态，可以关(guan)断或者限流。如(ru)图的(de)(de)(de)(de)电(dian)流采(cai)样，利用晶体(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)电(dian)流和面(mian)积成正比(bi)来(lai)(lai)采(cai)样，一般采(cai)样管(guan)(guan)Q2的(de)(de)(de)(de)面(mian)积会是输出管(guan)(guan)面(mian)积的(de)(de)(de)(de)千分之一，然(ran)后通过(guo)电(dian)压比(bi)较器来(lai)(lai)控制MOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)驱动。

还有一些(xie)其他辅助模块设计。

（六）恒流源和电流镜

在IC内部，如何来(lai)设置每(mei)一个晶体管(guan)(guan)的(de)工(gong)作状态(tai)，就是通过偏(pian)置电(dian)流，恒流源电(dian)路可以说(shuo)是所有电(dian)路的(de)基石，带隙基准也是因此产生的(de)，然后通过电(dian)流镜来(lai)为每(mei)一个功能模(mo)块提供电(dian)流，电(dian)流镜就是通过晶体管(guan)(guan)的(de)面积来(lai)设置需要的(de)电(dian)流大小，类似镜像。

总结

以上(shang)大概就是一颗DC/DC电源芯(xin)片LM2675的(de)(de)内(nei)部(bu)全部(bu)结(jie)构，也算是把以前的(de)(de)皮毛(mao)知识复(fu)习了(le)(le)一下。当然，这(zhei)只是原理(li)上(shang)的(de)(de)基本架构，具体(ti)设计时(shi)还要考虑非(fei)常多(duo)的(de)(de)参数特性，需要作大量的(de)(de)分(fen)析和仿真，而且必(bi)须要对半(ban)导体(ti)工艺(yi)参数有(you)很深的(de)(de)理(li)解，因为制(zhi)造工艺(yi)决定了(le)(le)晶(jing)体(ti)管的(de)(de)很多(duo)参数和性能，一不小心(xin)出来的(de)(de)芯(xin)片就有(you)缺(que)陷甚至根本没法应(ying)用。

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