开关电源技术与设计

第1章  基本DC-DC变换器原理                     1  1.1  Buck变换器                     1    1.1.1  工作原理                     3    1.1.2  占空比D与输出电压UO                     4    1.1.3  输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响                     5    1.1.4  电感、开关管及续流二极管电流                     6    1.1.5  最小电感量L                     8    1.1.6  负载变化对电感电流的影响                     8  1.2  Boost变换器                     9    1.2.1  工作原理                     10    1.2.2  占空比D                     11    1.2.3  输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响                     11    1.2.4  电感、开关管及续流二极管电流                     12    1.2.5  负载变化对电感电流的影响                     13  1.3  Buck-Boost变换器                     14    1.3.1  工作原理                     14    1.3.2  占空比D                     15    1.3.3  电感、开关管及续流二极管电流                     15    1.3.4  输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响                     16    1.3.5  负载变化对电感电流的影响                     17  1.4  三种基本DC-DC变换器特性比较                     18  1.5  DC-DC变换器电流纹波系数γ的选择                     19  1.6  输出滤波电容选择                     19    1.6.1  输出滤波电容因ESR电阻引起的输出电压波动                     20    1.6.2  对输出电容C充放电引起的输出电压波动                     21第2章  DC-DC变换器储能电感设计                     25  2.1  设计过程涉及到的电磁学知识                     25  2.2  电感存储能量与电感磁芯体积之间的关系                     26  2.3  储能电感AP法公式推导                     27  2.4  磁芯气隙设置                     28    2.4.1  在闭合磁路中开气隙的必要性                     28    2.4.2  气隙位置                     29    2.4.3   无气隙磁芯相对磁导率与电感系数                     29    2.4.4  带气隙磁芯的有效磁导率                     30  2.5  DC-DC变换器储能电感磁芯体积选择依据                     32    2.5.1  Buck-Boost反激变换器磁芯体积估算                     32    2.5.2  Buck变换器电感磁芯体积估算                     34    2.5.3  Boost变换器电感磁芯体积估算                     35  2.6  绕线匝数与线径规划                     35    2.6.1  最小匝数N                     35    2.6.2   趋肤效应与线径d                     36    2.6.3   估算绕线窗口利用率                     37  2.7  磁芯气隙长度计算                     38    2.7.1  气隙截面积Aδ的计算                     38    2.7.2  带气隙磁芯的电感量L与气隙长度δ的计算                     38    2.7.3  气隙长度δ计算步骤                     39  2.8  磁芯选择                     40    2.8.1  磁芯材料                     40    2.8.2  磁芯形态选择                     40    2.8.3  磁芯参数                     42  2.9  电感线圈绕制                     44  2.10    输出电压的选择                     45  2.11    Buck变换器设计举例                     46第3章  其他形式DC-DC变换器原理与设计                     50  3.1   Cuk变换器                     50    3.1.1  工作原理                     50    3.1.2  耦合电容电压、输出电压及占空比                     53    3.1.3   导通及截止期间两电感电压关系                     54    3.1.4   电流关系                     54    3.1.5   设计步骤                     55  3.2  SEPIC变换器                     58    3.2.1  工作原理                     58    3.2.2  占空比与输出电压                     60    3.2.3  导通及截止期间两电感电压关系                     60    3.2.4  电流关系                     61    3.2.5  设计步骤                     61  3.3  Zeta变换器                     64  3.4  输入与输出不共地的Buck变换器                     65  3.5  驱动方便的Buck-Boost变换器                     66第4章  反激变换器原理与设计                     68  4.1  工作原理                     68    4.1.1  简化电路及波形                     70    4.1.2  等效电路                     71    4.1.3  占空比D及输出电压UO                     72  4.2  漏感能量吸收回路                     73    4.2.1   RCD钳位电路工作原理                     74    4.2.2   RCD吸收回路损耗与参数计算                     76    4.2.3   RCD参数计算过程及实例                     78    4.2.4   RCD吸收电路的局限性                     79    4.2.5  减小漏感能量吸收回路损耗方法                     80  4.3  反激变换器设计要领                     81    4.3.1  反射电压UOR、钳位电压UZ和最大占空比Dmax的关系                     81    4.3.2  反激变换器电流纹波比的折中选择                     83    4.3.3  磁芯几何参数选择策略                     84    4.3.4  反激变换器各绕组顺序规划                     85    4.3.5  屏蔽绕组设置与连接                     90    4.3.6  骨架引脚分配规划                     90    4.3.7  变压器或电感绕线工艺图                     91  4.4  CCM模式下反激变换器设计过程                     92    4.4.1  储能变压器及开关管等关键元件参数计算                     93    4.4.2  多输出绕组反激变换器参数计算                     97  4.5  常见的次级输出电路                     99    4.5.1  恒压输出电路                     99    4.5.2  恒流输出电路                     102  4.6  双管反激变换器                     105    4.6.1   工作原理                     105    4.6.2   优缺点及使用条件                     106    4.6.3   设计过程                     107  4.7  DCM模式反激变换器                     107    4.7.1  DCM模式反激变换器电流电压关系                     109    4.7.2  PWM调制DCM模式反激变换器特征                     110  4.8  准谐振（OR）反激变换器                     111    4.8.1  准谐振反激变换器原理                     112    4.8.2  开关频率限制策略                     113    4.8.3  准谐振反激变换器关键参数计算                     114  4.9  原边反馈（PSR）反激变换器                     118    4.9.1  输出电压检测及CV原理                     119    4.9.2  输出电流检测及CC原理                     120    4.9.3  PSR反激变换器特征及其组合                     120  4.10  反激变换器调试                     121第5章  输入通道                     123  5.1   EMI干扰与输入电路形式                     123    5.1.1  EMI基本概念及产生原因                     123    5.1.2  EMI信号度量单位及限制                     124    5.1.3  输入电路形式                     125  5.2  整流电路                     126  5.3  工频滤波电路                     127    5.3.1  输入滤波电容容量的经验值                     127    5.3.2   输入市电周期完整时的最小滤波电容                     128    5.3.3   输入市电周期不完整对应的最小电压决定的最小滤波电容                     129    5.3.4  由纹波电流决定的最小滤波电容                     130  5.4  输入保护电路                     131    5.4.1   保险丝(管)                     131    5.4.2   防雷击元件                     132  5.5  功率型NTC电阻                     133  5.6  EMI滤波电路                     134    5.6.1   安规电容滤波                     136    5.6.2   EMI滤波电感设计                     138第6章  PWM控制芯片                     139  6.1  电压型控制                     139  6.2  电流型控制                     141    6.2.1  峰值电流控制                     141    6.2.2  峰值电流型控制器次谐振现象与斜坡补偿电路                     143    6.2.3  平均电流型控制                     145    6.2.4   电流滞环型控制                     146  6.3  电流型PWM控制器典型芯片                     146    6.3.1   启动电路                     147    6.3.2   时钟电路                     149    6.3.3   斜坡电压取样电阻RS的确定                     151    6.3.4   典型应用电路                     151  6.4  峰值电流型PWM控制芯片新技术                     154    6.4.1  FAN6757芯片内部结构框图                     154    6.4.2  FAN6757芯片主要特征                     156    6.4.3  保护功能                     161第7章  功率因素校正(PFC)电路                     163  7.1  市电整流电容滤波电路电流波形特征                     163  7.2  非线性电路功率因素PF及总谐波失真度THD的定义                     164    7.2.1   非线性电路功率因素PF的定义                     165    7.2.2   非线性电路总谐波失真度THD                     165    7.2.3   低功率因素PF对电网的危害                     166    7.2.4   电器设备谐波标准                     166  7.3  AC-DC变换器功率因素校正(PFC)电路                     168    7.3.1  无源功率因素校正电路                     168    7.3.2   有源功率因素校正电路                     170    7.4   单相Boost APFC变换器概述                     170    7.4.1  DCM Boost PFC简介                     171    7.4.2  CCM Boost PFC简介                     172  7.5  BCM Boost APFC变换器                     173    7.5.1  电感峰值电流iLPK(t)与电源输入电流IIN(t)                     174    7.5.2  最小开关频率fSWmin的推导                     176    7.5.3  最小电感量的确定                     177    7.5.4  开关管电流与开关管导通损耗计算                     178    7.5.5  利用“体积-功率”法大致估算电感磁芯尺寸                     179    7.5.6  零电流检测辅助绕组匝数                     179    7.5.7  续流二极管电流                     180    7.5.8  由输出纹波电压决定的输出电容C大小的计算                     181    7.5.9  基于BCM模式Boost APFC设计实例                     181    7.5.10  基于FAN7930B控制芯片的APFC电路                     184  7.6   带PFC功能的单管反激变换器                     189    7.6.1  电感峰值电流iLPK(t)                     190    7.6.2  截止时间Toff与电源输入电流IIN(t)                     191    7.6.3  初级绕组峰值电流与最小电感量                     194    7.6.4  初级绕组电流有效值                     195    7.6.5  次级回路电流                     196    7.6.6  输出滤波电容C的选择与输出电压纹波                     197    7.6.7  全电压输入PFC反激变换器设计实例                     198    7.6.8  非全电压输入PFC反激变换器设计实例                     202    7.6.9  基于FAN7930控制芯片的单管反激PFC变换器                     204    7.6.10  APFC单管反激PFC变换器调试                     208第8章  正激变换器                     209  8.1  正激变换器及其等效电路                     209  8.2  正激变换器磁通复位方式概述                     211  8.3  三绕组去磁复位正激变换器设计                     211    8.3.1  三绕组去磁复位正激变换器波形                     212    8.3.2   最恶劣条件                     213    8.3.3   最大占空比Dmax的限制                     213    8.3.4   在最小输入电压下确定变压器匝比n                     214    8.3.5   变压器参数选择                     215    8.3.6   三绕组去磁复位正激变换器设计实例                     218  8.4  二极管去磁双管正激变换器                     226    8.4.1   工作原理                     226    8.4.2   优缺点及设计                     227    8.4.3   驱动电路设计                     228  8.5  RCD吸收正激变换器                     230    8.5.1  激磁电流处于CCM模式                     231    8.5.2  激磁电流处于DCM模式                     233  8.6  谐振去磁正激变换器                     234    8.6.1   工作原理                     234    8.6.2   应用场合及设计                     237  8.7  常见去磁复位方式特性比较                     238第9章  桥式变换器                     239  9.1  半桥变换器                     239    9.1.1  原理电路                     239    9.1.2  初级侧实际电路                     240    9.1.3  次级等效电路                     241    9.1.4  半桥变换器磁芯                     242    9.1.5  隔直电容C3参数计算举例                     244  9.2  全桥变换器                     245  9.3  半桥LLC谐振变换器结构及工作原理                     247    9.3.1   方波发生器                     248    9.3.2   输出整流滤波网络                     249    9.3.3   谐振网络                     250    9.3.4   半桥LLC谐振变换器等效电路                     250    9.3.5   半桥LLC谐振变换器工作区特征                     258    9.3.6   工作区选择策略                     261    9.3.7   半桥LLC谐振变换器稳压原理                     263    9.3.8   半桥LLC谐振变换器其他等效拓扑结构                     263    9.3.9   半桥LLC谐振变换器控制芯片简介                     264  9.4  半桥LLC谐振变换器设计                     264    9.4.1  电感比m及品质因素Q的选择                     265    9.4.2  允许开关频率fSW 跨越ZVS区域1及ZVS区域2                     266    9.4.3  开关频率fSW≤fR (仅在ZVS区域1)                     270    9.4.4  开关频率fSW≥fR (仅在ZVS区域2)                     271    9.4.5   变压器制作                     272第10章  同步整流技术                     275  10.1  同步整流原理                     276  10.2  同步整流MOS管驱动方式                     277    10.2.1  电压自驱动                     279    10.2.2  电流自驱动                     283    10.2.3  集成控制IC驱动                     284第11章  环路稳定性设计                     287  11.1  概述                     287    11.1.1  二端口网络传递函数                     287    11.1.2  极点、零点概念及性质                     289    11.1.3  闭环控制及传递函数                     291  11.2   开关电源闭环控制                     292    11.2.1   闭环控制系统概述                     292    11.2.2   理想环路频率特性曲线                     293    11.2.3   输出取样点的选择                     294  11.3  反馈补偿网络传递函数                     294    11.3.1  Ⅰ型反馈补偿网络传递函数                     295    11.3.2  PI型反馈补偿网络传递函数                     296    11.3.3  Ⅱ型反馈补偿网络传递函数                     297    11.3.4  Ⅲ型反馈补偿网络传递函数                     298    11.3.5  基于跨导型运算放大器反馈补偿网络的传递函数                     300  11.4  TL431补偿网络传递函数                     302    11.4.1  基于Ⅱ型的补偿网络                     302    11.4.2  基于PI型补偿网络                     304  11.5  反激变换器环路设计                     306    11.5.1   CCM模式下反激变换器从控制到输出的传递函数                     306    11.5.2   CCM模式下反激变换器反馈补偿网络设计                     307    11.5.3   BCM及DCM模式下反激变换器从控制到输出的传递函数                     309  11.6  正激变换器环路设计                     312  11.7  BCM模式APFC变换器环路设计                     312第12章  开关电源PCB设计                     314  12.1  与PCB设计相关的安规知识                     314    12.1.1   电器产品防电击设计分类                     315    12.1.2   电源产品执行的安规标准                     315    12.1.3   绝缘等级与安全间距                     316  12.2  PCB设计规则                     317    12.2.1  PCB板工艺规划                     319    12.2.2  AC输入滤波电路布局布线原则                     320    12.2.3   关键回路与节点走线                     322    12.2.4   地线处理                     327  12.3  PCB散热设计                     327第13章  开关电源重要元器件及材料简介                     329  13.1  功率二极管                     329    13.1.1  功率二极管主要参数                     329    13.1.2  整流二极管开关特性及其损耗                     330    13.1.3  几种常见整流二极管特性                     332  13.2  功率MOS管                     333    13.2.1  功率MOS管主要参数                     333    13.2.2  功率MOS管开关特性及其损耗                     335  13.3  常用电容                     338    13.3.1   电解电容                     338    13.3.2   瓷片电容                     342    13.3.4   有机薄膜电容                     343  13.4  漆包线参数                     343参考文献                     348

本书以开关电源常见拓扑结构关键元件设计为主线，以高等学校电类相关专业学生、工程技术人员作为主要的服务对象。本着“注重基础、说透原理、面向设计”的原则安排全书内容，从实用角度出发，由浅入深，系统、详细地介绍了包括基本的DC-DC变换器、反激、正激、APFC、APFC反激、LLC半桥等常用拓扑的工作原理、设计思路、元件参数计算过程。
　　在编写过程中，注重物理概念、元件参数计算公式的推导过程、取值依据，注重典型性和代表性，以期达到举一反三的效果；在内容安排上力求兼顾基础性、实用性。