开关电源技术与设计 第2版PDF电子书下载

第1章 基本DC-DC变换器 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 电感、开关管及续流二极管的电流 5

1.1.4 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响 8

1.1.5 最小电感量 9

1.1.6 负载变化对电感电流的影响 9

1.2 Boost变换器 10

1.2.1 工作原理 10

1.2.2 占空比D 11

1.2.3 电感、开关管及续流二极管的电流 11

1.2.4 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响 13

1.2.5 负载变化对电感电流的影响 14

1.3 Buck-Boost变换器 14

1.3.1 工作原理 14

1.3.2 CCM模式下电压与电流的关系 15

1.3.3 DCM模式下电压与电流的关系 17

1.4 三种基本DC-DC变换器的特性比较 19

1.5 DC-DC变换器的电流纹波系数γ的选择 20

1.6 输出滤波电容的选择 21

1.6.1 输出滤波电容因ESR电阻引起的输出电压波动 22

1.6.2 一个开关周期内对输出电容C充放电引起的输出电压波动 23

第2章 DC-DC变换器储能电感设计 26

2.1 设计过程涉及的电磁学知识 26

2.2 电感存储能量与电感磁芯体积之间的关系 27

2.3 储能电感AP法公式推导 28

2.4 磁芯气隙设置 29

2.4.1 在闭合磁路中开气隙的必要性 29

2.4.2 气隙位置 29

2.4.3 无气隙磁芯的相对磁导率与电感系数 30

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的选择依据 31

2.5.1 Buck-Boost变换器储能电感与反激变换器储能变换器磁芯体积的估算 31

2.5.2 Buck变换器电感磁芯体积估算 33

2.5.3 Boost变换器电感磁芯体积估算 34

2.6 绕线匝数及线径规划 34

2.6.1 最小匝数N 34

2.6.2 趋肤效应与线径d 35

2.6.3 估算绕线窗口的利用率 36

2.7 磁芯气隙长度的计算 37

2.7.1 气隙截面积Aδ的计算 37

2.7.2 带气隙磁芯电感量L与气隙长度δ的计算 37

2.7.3 气隙长度δ的计算步骤 38

2.8 磁芯选择 39

2.8.1 磁芯材料 39

2.8.2 磁芯形态的选择 39

2.8.3 磁芯参数 41

2.9 电感线圈绕制 43

2.10 输出电压的选择 44

2.11 Buck变换器设计举例 44

第3章 其他形式DC-DC变换器 48

3.1 Cuk变换器 48

3.1.1 工作原理 48

3.1.2 耦合电容电压、输出电压及占空比 50

3.1.3 导通及截止期间两电感电压的关系 51

3.1.4 导通及截止期间两电感电流的关系 52

3.1.5 设计步骤 52

3.2 SEPIC变换器 55

3.2.1 工作原理 55

3.2.2 占空比与输出电压 56

3.2.3 导通及截止期间两电感电压的关系 57

3.2.4 导通及截止期间两电感电流的关系 57

3.2.5 设计步骤 58

3.3 Zeta变换器 60

3.4 输入与输出不共地的Buck变换器 61

3.5 驱动方便的Buck-Boost变换器 63

第4章 反激变换器 64

4.1 工作原理 64

4.1.1 简化电路及波形 65

4.1.2 等效电路 67

4.1.3 占空比D及输出电压UO 68

4.2 漏感能量吸收回路 69

4.2.1 RCD钳位电路的工作原理 69

4.2.2 RCD吸收回路损耗与参数计算 71

4.2.3 RCD参数计算过程及实例 74

4.2.4 RCD吸收电路的局限性 76

4.2.5 减小漏感能量吸收回路损耗的方法 77

4.3 反激变换器设计要领 77

4.3.1 反射电压UOR、钳位电压UZ与最大占空比Dmax的关系 77

4.3.2 反激变换器电流纹波比的折中选择 79

4.3.3 磁芯几何参数的选择策略 80

4.3.4 反激变换器各绕组顺序的规划 81

4.3.5 屏蔽绕组的设置与连接 86

4.3.6 骨架引脚的分配规则 86

4.3.7 变压器或电感绕线工艺图 87

4.4 CCM模式下反激变换器的设计过程 88

4.4.1 储能变压器及开关管等关键元件的参数计算 88

4.4.2 具有多个输出绕组与负载电流变化范围较大的反激变换器的参数计算 94

4.5 常见的次级输出电路 95

4.5.1 恒压输出电路 95

4.5.2 恒流输出电路 98

4.6 双管反激变换器 100

4.6.1 工作原理 101

4.6.2 优缺点及使用条件 102

4.6.3 设计过程 103

4.7 DCM模式反激变换器 103

4.7.1 PWM调制DCM模式反激变换器的电流、电压关系 104

4.7.2 PWM调制DCM模式反激变换器的特征 105

4.8 准谐振反激变换器 107

4.8.1 工作原理 108

4.8.2 开关频率限制策略 109

4.8.3 关键参数的计算 110

4.9 原边反馈（PSR）反激变换器 114

4.9.1 输出电压检测及CV控制原理 114

4.9.2 输出电流检测及CC控制原理 115

4.9.3 PSR反激变换器的特征及其组合 116

4.10 反激变换器的调试 117

第5章 输入通道 119

5.1 EMI干扰与输入电路形式 119

5.1.1 EMI的基本概念及产生原因 119

5.1.2 EMI信号度量单位及限制 120

5.1.3 输入电路形式 120

5.2 整流电路 122

5.3 工频滤波电路 123

5.3.1 输入滤波电容容量的经验值 123

5.3.2 市电不缺周波情况下的最小输入滤波电容 124

5.3.3 输入市电缺半个或一个市电周期后对应最小电压决定的最小滤波电容 125

5.3.4 由纹波电流决定的最小滤波电容 126

5.4 输入过流过压保护电路 127

5.4.1 保险丝（管） 127

5.4.2 防雷元件 128

5.5 功率型NTC电阻 129

5.6 EMI滤波电路 131

5.6.1 安规电容的选择 132

5.6.2 EMI滤波电感的设计 134

第6章 开关变换器控制芯片 135

6.1 电压型控制 135

6.2 电流型控制 137

6.2.1 峰值电流型控制 137

6.2.2 峰值电流型控制器次谐振现象与斜率补偿电路 138

6.2.3 平均电流型控制 140

6.2.4 电流滞环型控制 141

6.3 电流型PWM控制器典型芯片 141

6.3.1 启动电路 142

6.3.2 时钟电路 144

6.3.3 斜坡电流取样电阻RS的确定 146

6.3.4 典型应用电路 146

6.4 峰值电流型PWM控制芯片新技术 148

6.4.1 FAN6757芯片的内部框图 148

6.4.2 FAN6757芯片的主要特征 150

6.4.3 保护功能 155

第7章 功率因数校正（PFC）电路 157

7.1 市电整流电容滤波电路电流波形特征 157

7.2 非线性电路功率因数PF及总谐波失真度THD 158

7.2.1 非线性电路功率因数PF 158

7.2.2 非线性电路总谐波失真度THD 159

7.2.3 低功率因数（PF）对电网的危害 159

7.2.4 电器设备谐波标准 160

7.3 AC-DC变换器功率因数校正（PFC）电路 161

7.3.1 无源功率因数校正电路 161

7.3.2 有源功率因数校正电路 163

7.4 单相Boost APFC变换器 164

7.4.1 DCM Boost APFC简介 164

7.4.2 CCM Boost APFC简介 165

7.5 BCM Boost APFC变换器 166

7.5.1 电感峰值电流iLPK（t）与驱动电源输入电流iIN（t） 167

7.5.2 最小开关频率fSWmin的推导 169

7.5.3 最小电感量的确定 170

7.5.4 开关管电流与开关管导通损耗的计算 171

7.5.5 利用“体积-功率”法大致估算电感磁芯的尺寸 172

7.5.6 零电流检测辅助绕组匝数 172

7.5.7 续流二极管电流 172

7.5.8 由输出纹波电压决定的输出电容C的计算 173

7.5.9 基于BCM模式的Boost APFC设计实例 174

7.5.10 基于FAN7930B控制芯片的APFC电路 177

7.6 带PFC功能的单管反激变换器 182

7.6.1 电感峰值电流iLPK（t） 183

7.6.2 截止时间Toff与输入电流IIN（t） 184

7.6.3 初级绕组的峰值电流与最小电感量 187

7.6.4 初级绕组的电流有效值 188

7.6.5 次级回路电流 189

7.6.6 输出滤波电容C的选择与输出电压纹波 190

7.6.7 全电压输入PFC单管反激变换器设计实例 191

7.6.8 基于FAN7930B控制芯片的PFC单管反激变换器 194

7.6.9 PFC单管反激变换器的调试 198

7.7 单相大功率APFC电路 199

7.7.1 交错式APFC电路 199

7.7.2 无桥APFC电路 201

7.7.3 无桥交错式APFC电路 204

第8章 正激变换器 206

8.1 正激变换器及其等效电路 206

8.2 正激变换器磁通复位方式概述 208

8.3 三绕组去磁正激变换器 209

8.3.1 电压及电流波形 210

8.3.2 最恶劣条件 211

8.3.3 最大占空比Dmax的限制 211

8.3.4 激磁电流回零时间Toff与次级回路Buck滤波电感磁复位时间Toff-s的关系 212

8.3.5 估算变压器匝比n 212

8.3.6 变压器参数选择 212

8.3.7 设计实例 215

8.4 二极管去磁双管正激变换器 224

8.4.1 工作原理 225

8.4.2 优缺点及设计 226

8.4.3 驱动电路设计 226

8.5 RCD去磁正激变换器 229

8.5.1 激磁电流处于CCM模式 230

8.5.2 激磁电流处于DCM模式 231

8.6 谐振去磁正激变换器 231

8.6.1 工作原理 232

8.6.2 应用场合及设计 234

8.7 常见去磁方式特性比较 235

第9章 桥式及推挽变换器 236

9.1 半桥变换器 236

9.1.1 原理电路 236

9.1.2 初级侧实际电路 239

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 244

9.2 全桥变换器 245

9.2.1 原理电路 245

9.2.2 输入输出电压关系 246

9.2.3 变压器参数计算 247

9.3 倍流整流电路 249

9.3.1 原理电路 249

9.3.2 输入、输出关系 252

9.3.3 滤波电感L1及L2的设计 252

9.3.4 同步倍流整流电路 253

9.4 推挽变换器 255

9.4.1 原理电路 255

9.4.2 工作原理 256

9.4.3 推挽变换器与桥式变换器比较 258

第10章 软开关桥式变换器 259

10.1 软开关变换器概述 259

10.2 非对称半桥变换器 260

10.2.1 原理电路 260

10.2.2 工作原理 261

10.3 非对称PWM反激变换器 265

10.3.1 原理电路 265

10.3.2 工作原理 265

10.3.3 输入、输出关系 270

10.3.4 设计参数的近似估算 272

10.4 全桥移相式变换器 274

10.4.1 原理电路 274

10.4.2 工作原理 276

10.4.3 稳压原理 280

10.4.4 固有缺陷 282

10.5 半桥LLC谐振变换器 284

10.5.1 原理电路 284

10.5.2 工作原理 286

10.5.3 等效电路 291

10.5.4 稳压原理 297

10.5.5 工作区选择策略 298

10.5.6 半桥LLC谐振变换器控制芯片 299

10.6 半桥LLC谐振变换器设计 299

10.6.1 电感比m及品质因数Q的选择 300

10.6.2 开关频率fSW≤fr（仅在ZVS1区） 300

10.6.3 开关频率fSW≥fr（仅在ZVS2区） 306

10.6.4 磁性元件的制作 308

10.7 全桥LLC变换器 310

10.8 桥式LCC谐振变换器 311

10.8.1 等效电路 312

10.8.2 工作区特征 315

10.8.3 工作原理 316

10.9 半桥LCC谐振变换器恒流输出模式的参数设计 320

第11章 同步整流技术 327

11.1 同步整流原理 328

11.2 同步整流MOS管驱动方式 329

11.2.1 电压自驱动 331

11.2.2 电流自驱动 336

11.2.3 集成控制IC驱动 337

第12章 环路稳定性设计 341

12.1 概述 341

12.1.1 二端口网络的传递函数 341

12.1.2 极点、零点的概念及性质 343

12.1.3 闭环控制及传递函数 345

12.2 开关电源闭环控制 345

12.2.1 闭环控制系统概述 345

12.2.2 理想环路的频率特性曲线 346

12.2.3 输出取样点的选择 347

12.3 反馈补偿网络的传递函数 348

12.3.1 Ⅰ型反馈补偿网络的传递函数 349

12.3.2 PI型反馈补偿网络的传递函数 349

12.3.3 Ⅱ型反馈补偿网络的传递函数 350

12.3.4 Ⅲ型反馈补偿网络的传递函数 352

12.3.5 基于跨导型运算放大器的反馈补偿网络的传递函数 353

12.4 TL431补偿网络的传递函数 355

12.4.1 基于Ⅱ型补偿网络 355

12.4.2 基于PI型补偿网络 357

12.5 反激变换器环路设计 359

12.5.1 CCM模式下反激变换器由控制到输出传递函数 359

12.5.2 CCM模式下反激变换器反馈补偿网络设计 360

12.5.3 BCM及DCM模式下反激变换器由控制到输出传递函数 362

12.6 正激变换器环路设计 365

12.7 BCM模式APFC变换器环路设计 365

第13章 开关电源PCB设计 367

13.1 与PCB设计相关的安规知识 367

13.1.1 电器产品防电击设计的分类 367

13.1.2 电源产品执行的安规标准 368

13.1.3 绝缘等级与安全间距 368

13.2 PCB设计规则 370

13.2.1 PCB板工艺规划 374

13.2.2 AC输入滤波电路的布局布线原则 376

13.2.3 关键回路与节点走线 377

13.2.4 并联滤波电容的连线方式 381

13.2.5 地线处理 382

13.3 PCB散热设计 384

第14章 开关电源重要元器件及材料简介 385

14.1 功率二极管 385

14.1.1 功率二极管的主要参数 385

14.1.2 整流二极管的开关特性及损耗 386

14.1.3 常见整流二极管的特性 387

14.2 功率MOS管 388

14.2.1 功率MOS管的主要参数 389

14.2.2 功率MOS管的开关特性及损耗 391

14.2.3 功率MOS管的常见驱动电路 393

14.3 常用电容 395

14.3.1 电解电容 395

14.3.2 瓷片电容 399

14.3.3 有机薄膜电容 400

14.4 漆包线参数 401

参考文献 405