什么是開關(guān)電源芯片及基礎(chǔ)知識

開關(guān)電源芯片（Switching Power Supply IC，簡稱SMPS IC或PWM IC）是現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的核心組件，它負(fù)責(zé)高效地將一種形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式，例如從高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，或者從交流電轉(zhuǎn)換為直流電。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)電源芯片通過快速開關(guān)電源開關(guān)元件（如MOSFET）來控制能量傳輸，從而顯著提高了電源轉(zhuǎn)換效率，減少了能量損耗和散熱需求，使得電子產(chǎn)品能夠更小、更輕、更節(jié)能。

一、開關(guān)電源芯片的定義與核心功能

開關(guān)電源芯片，顧名思義，是實現(xiàn)開關(guān)電源功能的核心集成電路。它集成了控制邏輯、驅(qū)動電路、誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源以及各種保護(hù)功能等，用于精確控制外部功率開關(guān)管的開關(guān)動作，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓或電流的目的。

其核心功能主要包括：

• 電壓或電流轉(zhuǎn)換： 這是最基本的功能，將輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓或電流。例如，將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電，或?qū)?.7V電池電壓升壓至5V。

• 穩(wěn)壓/穩(wěn)流： 即使輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化，也能保持輸出電壓或電流的穩(wěn)定。這通過負(fù)反饋環(huán)路實現(xiàn)，芯片會實時監(jiān)測輸出并調(diào)整開關(guān)周期。

• 高效率： 通過“開關(guān)”而不是“線性”調(diào)節(jié)能量，最大限度地減少了能量在轉(zhuǎn)換過程中的損耗，將更多的電能傳遞給負(fù)載。

• 保護(hù)功能： 內(nèi)置過流保護(hù)（OCP）、過壓保護(hù)（OVP）、欠壓鎖定（UVLO）、過溫保護(hù)（OTP）和短路保護(hù)（SCP）等，以確保電源系統(tǒng)和所連接設(shè)備的安全運行。

• 軟啟動： 限制啟動時的浪涌電流，防止對輸入電源或負(fù)載造成沖擊。

• 功率因數(shù)校正 (PFC)： 在某些交流輸入應(yīng)用中，PFC功能可以改善電源對電網(wǎng)的影響，提高能源利用率。

二、開關(guān)電源的工作原理概述

開關(guān)電源的基本工作原理可以概括為以下幾個步驟：

1. 整流與濾波： 輸入的交流電（如果是交流輸入）首先被整流成脈動直流，然后通過大容量電容濾波，形成相對平滑的直流電壓。

2. 開關(guān)： 這個直流電壓被送入功率開關(guān)管（通常是MOSFET），該開關(guān)管由開關(guān)電源芯片產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（PWM）信號或脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號控制，以極高的頻率（幾kHz到幾MHz）進(jìn)行周期性地開和關(guān)。

3. 能量存儲與釋放： 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，能量被存儲在電感或變壓器中；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，存儲的能量被釋放到輸出端，并通過二極管和電容進(jìn)行整流和濾波。

4. 反饋與調(diào)節(jié)： 輸出電壓（或電流）通過反饋網(wǎng)絡(luò)（通常是一個分壓電阻網(wǎng)絡(luò)）被送回到開關(guān)電源芯片。芯片內(nèi)部的誤差放大器將反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個誤差信號。

5. PWM/PFM控制： 誤差信號被送入PWM控制器，用于調(diào)整開關(guān)管的占空比（PWM模式下開關(guān)導(dǎo)通時間與整個開關(guān)周期的比值）或開關(guān)頻率（PFM模式下），從而精確控制傳遞給負(fù)載的能量，最終穩(wěn)定輸出電壓或電流。

6. 輸出濾波： 最后，通過輸出電容和電感（在某些拓?fù)渲校敵鲭妷哼M(jìn)行進(jìn)一步濾波，以獲得穩(wěn)定的直流輸出。

三、開關(guān)電源的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)電源芯片支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種拓?fù)涠加衅洫毺氐膬?yōu)缺點和適用場景。最常見的拓?fù)浒ǎ?/span>

1. 降壓型（Buck Converter）：

• 特點： 輸出電壓低于輸入電壓。電路簡單，效率高，應(yīng)用廣泛。

• 原理： 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感充電，同時向負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電感放電，繼續(xù)向負(fù)載供電。

• 應(yīng)用： 手機(jī)充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、計算機(jī)主板供電等。

2. 升壓型（Boost Converter）：

• 特點： 輸出電壓高于輸入電壓。

• 原理： 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感充電；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電感和輸入電源串聯(lián)向輸出電容和負(fù)載供電，從而提升電壓。

• 應(yīng)用： 電池供電LED驅(qū)動、便攜式設(shè)備的背光驅(qū)動、電動車升壓等。

3. 降壓-升壓型（Buck-Boost Converter）：

• 特點： 輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，但輸出電壓極性與輸入電壓相反（隔離型除外）。

• 原理： 結(jié)合了降壓和升壓的原理，通過改變開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)輸出。

• 應(yīng)用： 對輸入電壓波動范圍大，且要求輸出電壓穩(wěn)定的場合。

4. 反激型（Flyback Converter）：

• 特點： 結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)輸入輸出隔離，多路輸出，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。

• 原理： 利用變壓器初級電感存儲能量，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，能量通過次級線圈感應(yīng)傳輸?shù)捷敵龆恕?/span>

• 應(yīng)用： 適配器、小功率電源、LED驅(qū)動、機(jī)頂盒電源等。

5. 正激型（Forward Converter）：

• 特點： 相對于反激型，功率傳輸效率更高，紋波更小，但電路更復(fù)雜，需要額外的復(fù)位繞組。

• 原理： 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，變壓器直接將能量傳遞到次級，同時磁化；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，變壓器退磁。

• 應(yīng)用： 中等功率電源，如PC電源、工業(yè)電源。

6. 半橋/全橋（Half-Bridge/Full-Bridge Converter）：

• 特點： 適用于高功率應(yīng)用，效率高，輸出紋波小。

• 原理： 使用多個開關(guān)管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)，通過交替導(dǎo)通來驅(qū)動變壓器，實現(xiàn)高效的能量傳輸。

• 應(yīng)用： 大功率服務(wù)器電源、通信電源、UPS不間斷電源。

四、開關(guān)電源芯片的關(guān)鍵參數(shù)

在選擇和使用開關(guān)電源芯片時，理解其關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要：

1. 輸入電壓范圍 (Vin Range)： 芯片能夠正常工作的最小和最大輸入電壓。

2. 輸出電壓/電流 (Vout/Iout)： 芯片設(shè)計用于提供的穩(wěn)定輸出電壓和最大輸出電流。

3. 開關(guān)頻率 (Switching Frequency)： 芯片內(nèi)部驅(qū)動功率開關(guān)管的頻率。更高的頻率通常意味著可以使用更小的電感和電容，從而減小整體尺寸，但可能會增加開關(guān)損耗。

4. 效率 (Efficiency)： 輸出功率與輸入功率之比，衡量能量轉(zhuǎn)換的有效性。高效率意味著更少的能量損耗和更小的熱量產(chǎn)生。

5. 靜態(tài)電流 (Quiescent Current, Iq)： 芯片在空載或待機(jī)狀態(tài)下消耗的電流。對于電池供電設(shè)備，較低的靜態(tài)電流可以延長電池壽命。

6. 反饋電壓 (Feedback Voltage)： 芯片內(nèi)部用于與輸出反饋電壓進(jìn)行比較的基準(zhǔn)電壓。

7. 保護(hù)功能：

• 過流保護(hù) (OCP)： 當(dāng)輸出電流超過設(shè)定閾值時，芯片會限制電流或關(guān)斷。

• 過壓保護(hù) (OVP)： 當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定閾值時，芯片會關(guān)斷以保護(hù)負(fù)載。

• 欠壓鎖定 (UVLO)： 當(dāng)輸入電壓低于芯片正常工作的最低電壓時，芯片停止工作，防止異常啟動。

• 過溫保護(hù) (OTP)： 當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過安全限值時，芯片會關(guān)斷。

• 短路保護(hù) (SCP)： 當(dāng)輸出發(fā)生短路時，芯片會限制電流或關(guān)斷。

8. 封裝類型 (Package Type)： 芯片的外形尺寸和引腳布局，如SOP、QFN、DFN、TO-263等，影響散熱和PCB布局。

9. 調(diào)制方式：

• PWM (Pulse Width Modulation)： 通過改變脈沖寬度來控制輸出。

• PFM (Pulse Frequency Modulation)： 通過改變脈沖頻率來控制輸出。

• PWM/PFM混合模式： 在輕載時切換到PFM以提高效率，重載時使用PWM。

五、開關(guān)電源芯片的設(shè)計考量

設(shè)計一個高效、穩(wěn)定的開關(guān)電源系統(tǒng)，除了選擇合適的開關(guān)電源芯片外，還需要綜合考慮以下因素：

1. 拓?fù)溥x擇： 根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、隔離要求、成本和尺寸限制來選擇最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2. 元器件選型：

• 電感： 飽和電流、直流電阻（DCR）、感值大小、尺寸和封裝。

• 電容： 容量、ESR（等效串聯(lián)電阻）、ESL（等效串聯(lián)電感）、電壓等級、紋波電流能力和壽命。

• MOSFET/二極管： 導(dǎo)通電阻（Ron）、耐壓、開關(guān)速度、恢復(fù)時間、散熱能力。

• 變壓器： 對于隔離型拓?fù)洌枰紤]匝比、漏感、耦合系數(shù)和絕緣等級。

3. 環(huán)路補(bǔ)償： 為了確保電源的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，需要對反饋環(huán)路進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，通常涉及到電阻和電容的配置，以確保增益裕度和相位裕度。

4. PCB布局： 合理的PCB布局對開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。需要考慮大電流環(huán)路面積最小化、敏感信號走線遠(yuǎn)離噪聲源、良好接地、散熱路徑優(yōu)化等。不當(dāng)?shù)牟季挚赡軐?dǎo)致噪聲、EMI問題、效率降低甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定。

5. 散熱設(shè)計： 盡管開關(guān)電源效率高，但仍有損耗轉(zhuǎn)化為熱量。對于大功率應(yīng)用，需要考慮散熱片、風(fēng)扇或?qū)岵牧蟻斫档托酒凸β试臏厣?/span>

6. EMI/EMC： 開關(guān)電源的高頻開關(guān)特性會產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。設(shè)計時需要考慮濾波（共模/差模電感、X/Y電容）、屏蔽和布局技術(shù)來滿足電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。

7. 保護(hù)機(jī)制： 確保芯片內(nèi)置的保護(hù)功能能有效應(yīng)對各種異常情況，并評估是否需要外部輔助保護(hù)電路。

8. 動態(tài)響應(yīng)： 評估電源在負(fù)載瞬變或輸入電壓變化時，輸出電壓的恢復(fù)速度和過沖/欠沖幅度。

六、開關(guān)電源芯片的發(fā)展趨勢

隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開關(guān)電源芯片也在持續(xù)演進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 更高集成度： 將更多的功能集成到單個芯片中，包括內(nèi)置功率MOSFET、更復(fù)雜的保護(hù)功能、數(shù)字控制接口等，從而簡化外圍電路設(shè)計，減少PCB面積。

2. 更小的尺寸： 通過更高的開關(guān)頻率和更先進(jìn)的封裝技術(shù)，實現(xiàn)更小的電源模塊尺寸，以滿足便攜式和小型化設(shè)備的需求。

3. 更高效率： 采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如諧振變換器）、更低的開關(guān)損耗技術(shù)（如氮化鎵GaN和碳化硅SiC功率器件的應(yīng)用）、更精密的控制算法，進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換效率。

4. 數(shù)字化和智能化： 引入數(shù)字控制技術(shù)，使得電源的參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行配置和監(jiān)控，實現(xiàn)更靈活的控制、更精確的故障診斷和更智能的電源管理功能。

5. 寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用： 隨著GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的成熟，開關(guān)電源芯片的效率和功率密度將得到顯著提升，尤其是在高壓和高頻應(yīng)用中。

6. 無線充電技術(shù)： 隨著無線充電技術(shù)的普及，相關(guān)的電源管理芯片也在快速發(fā)展，需要更高的效率和更緊湊的解決方案。

7. 低功耗和高功率密度： 在滿足更高功率輸出的同時，追求更低的待機(jī)功耗和更高的功率密度，以適應(yīng)綠色環(huán)保和緊湊設(shè)計的需求。

總結(jié)

開關(guān)電源芯片是現(xiàn)代電子設(shè)備的心臟，其高效、緊湊和穩(wěn)定的特性使其在從消費電子到工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。理解其工作原理、主要拓?fù)洹㈥P(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計考量，對于任何從事電子產(chǎn)品開發(fā)的人員都至關(guān)重要。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源芯片將繼續(xù)朝著更高效率、更高集成度、更小尺寸和更智能化的方向發(fā)展，為未來電子設(shè)備的進(jìn)步提供堅實的基礎(chǔ)。