开关电源设计 第2版PDF电子书下载

第1部分 拓扑分析 3

第1章 基本开关型调整器——buck、boost及反相型拓扑 3

1.1 简介 3

1.2 线性调整器——开关调整器的原型 3

1.2.1 基本工作原理及优缺点 3

1.2.2 线性调整器的缺点 4

1.2.3 串接晶体管的功率损耗 4

1.2.4 线性调整器的效率与输出电压的关系 5

1.2.5 串接PNP型晶体管的低压差线性调整器 6

1.3 buck开关型调整器拓扑 7

1.3.1 基本工作原理 7

1.3.2 buck调整器的主要电流波形 9

1.3.3 buck调整器的效率（忽略交流开关损耗） 9

1.3.4 buck调整器的效率（考虑交流开关损耗） 10

1.3.5 buck调整器的理想开关频率 12

1.3.6 参数设计——输出滤波电感的选择 12

1.3.7 参数设计——输出滤波电容的选择 15

1.3.8 有直流隔离调整输出的buck调整器的电压调节 16

1.4 boost开关调整器拓扑 17

1.4.1 基本原理 17

1.4.2 boost调整器的定量分析 18

1.4.3 boost调整器的不连续工作模式和连续工作模式 18

1.4.4 不连续模式下的boost调整器的参数设计 20

1.4.5 boost调整器的应用及与反激变换器的比较 22

1.5 反极性开关调整器拓扑 22

1.5.1 基本工作原理 22

1.5.2 反极性调整器设计关系 24

参考文献 24

第2章 推挽和正激变换器拓扑 25

2.1 引言 25

2.2 推挽拓扑 25

2.2.1 有主从输出的推挽拓扑基本原理 25

2.2.2 输入及负载变化时从输出的调节 27

2.2.3 从输出电压实际值 27

2.2.4 主输出电感的最小电流限制 28

2.2.5 推挽拓扑中的磁通不平衡 28

2.2.6 磁通不平衡的表现 30

2.2.7 磁通不平衡的测试 32

2.2.8 磁通不平衡的解决方法 32

2.2.9 功率变压器设计 34

2.2.10 初／次级绕组的峰值电流及电流有效值 36

2.2.11 开关管的电压应力及漏感尖峰 39

2.2.12 功率开关管损耗 40

2.2.13 推挽拓扑输出功率及输入电压的限制 42

2.2.14 输出滤波器的设计 43

2.3 正激变换器拓扑 44

2.3.1 基本工作原理 44

2.3.2 输出／输入电压与导通时间和匝数比的设计关系 47

2.3.3 从输出电压 48

2.3.4 次级负载、续流二极管及电感的电流 49

2.3.5 初级电流、输出功率及输入电压之间的关系 49

2.3.6 功率开关管最大关断电压应力 49

2.3.7 实际输入电压和输出功率限制 50

2.3.8 功率和复位绕组匝数不相等的正激变换器 50

2.3.9 正激变换器电磁理论 52

2.3.10 功率变压器的设计 54

2.3.11 输出滤波器的设计 56

2.4 双管单端（以下简称双端）正激变换器拓扑 57

2.4.1 基本原理 57

2.4.2 设计原则及变压器的设计 59

2.5 交错正激变换器拓扑 60

2.5.1 基本工作原理、优缺点和输出功率限制 60

2.5.2 变压器的设计 61

2.5.3 输出滤波器的设计 62

第3章 半桥和全桥变换器拓扑 63

3.1 概述 63

3.2 半桥变换器拓扑 63

3.2.1 工作原理 63

3.2.2 半桥变换器磁设计 64

3.2.3 输出滤波器的设计 65

3.2.4 防止磁通不平衡的阻断电容的选择 65

3.2.5 半桥变换器的漏感问题 66

3.2.6 半桥变换器与双端正激变换器的比较 67

3.2.7 半桥变换器实际输出功率的限制 67

3.3 全桥变换器拓扑 68

3.3.1 基本工作原理 68

3.3.2 全桥变换器磁设计 69

3.3.3 输出滤波器的计算 70

3.3.4 变压器初级阻断电容的选择 70

第4章 反激变换器 71

4.1 概述 71

4.2 反激变换器的应用范围 71

4.3 DCM模式下反激变换器的基本工作原理 72

4.3.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系 73

4.3.2 设计原则和设计步骤 73

4.3.3 反激拓扑的电磁原理 77

4.3.4 反激变换器的缺点 81

4.3.5 不使用倍压／全波整流转换开关的120V/220V交流输入反激变换器 85

4.4 连续模式下反激变换器的基本工作原理 87

4.4.1 不连续模式向连续模式的过渡 88

4.4.2 连续模式反激变换器的设计原则 89

4.5 交错反激变换器 92

4.5.1 交错反激变换器次级电流关系 93

4.6 双端不连续模式反激变换器 94

4.6.1 应用场合 94

4.6.2 基本工作原理 94

4.6.3 双端反激变换器的漏感效应 95

参考文献 96

第5章 电流模式拓扑和电流馈电拓扑 97

5.1 简介 97

5.2 电流模式拓扑的优点 97

5.2.1 防止推挽变换器的偏磁问题 97

5.2.2 对输入网压变化即时响应（电压前馈特性） 98

5.2.3 反馈回路设计的简化 98

5.2.4 并联输出 98

5.2.5 改善负载电流调整 98

5.3 电流模式和电压模式控制电路的比较 98

5.3.1 电压模式控制电路 99

5.3.2 电流模式控制电路 100

5.4 电流模式优点详解 104

5.4.1 输入网压的调整 104

5.4.2 防止偏磁 105

5.4.3 在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计 105

5.4.4 负载电流调整原理 106

5.5 电流模式的缺点和存在问题 106

5.5.1 输出电感峰值电流恒定而非其平均电流恒定的问题 106

5.5.2 对输出电感电流扰动的响应 108

5.5.3 电流模式的斜率补偿 108

5.5.4 用正斜率电压的斜率补偿 110

5.5.5 斜率补偿的实现 110

5.6 电压馈电和电流馈电拓扑 111

5.6.1 简介及定义 111

5.6.2 电压馈电PWM全桥变换器的缺点 112

5.6.3 buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理 114

5.6.4 buck电压馈电全桥拓扑的优点 115

5.6.5 buck电压馈电PWM全桥电路的缺点 117

5.6.6 buck电流馈电全桥拓扑——基本工作原理 117

5.6.7 反激电流馈电推挽拓扑（Weinberg电路；参考文献23） 126

参考文献 139

第6章 其他拓扑 141

6.1 SCR谐振拓扑概述 141

6.2 SCR的基本工作原理 142

6.3 利用谐振正弦阳极电流关断SCR的单端谐振逆变器拓扑 146

6.4 SCR谐振桥式拓扑概述 148

6.4.1 串联负载SCR半桥谐振变换器的基本工作原理［9，10］ 150

6.4.2 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计计算［9，10］ 151

6.4.3 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计实例 153

6.4.4 并联负载SCR半桥谐振变换器［6、12］ 154

6.4.5 单端SCR谐振变换器拓扑的设计［3，5］ 154

6.5 Cuk变换器拓扑概述 158

6.5.1 Cuk变换器的基本工作原理 159

6.5.2 输出／输入电压比与开关管Q导通时间的关系 160

6.5.3 L1和L2的电流变化率 161

6.5.4 消除输入电流纹波的措施 161

6.5.5 Cuk变换器的隔离输出 162

6.6 小功率辅助电源拓扑概述［15～17］ 162

6.6.1 辅助电源的接地问题 163

6.6.2 可供选择的辅助电源 163

6.6.3 辅助电源的典型电路 164

6.6.4 Royer振荡器的基本工作原理［17，18］ 166

6.6.5 作为辅助电源的简单反激变换器 175

6.6.6 作为辅助电源的buck调节器（输出带直流隔离） 177

参考文献 177

第2部分 磁路与电路设计 181

第7章 变压器磁设计 181

7.1 概述 181

7.2 变压器磁心材料、几何结构及峰值磁通密度的选择 181

7.2.1 几种常用铁氧体的磁心铁损随频率和磁通密度变化的关系 181

7.2.2 铁氧体磁心的几何形状 185

7.2.3 峰值磁通密度的选择 187

7.3 变压器磁心最大输出功率、峰值磁通密度、磁心和骨架面积及线圈电流密度的选择 188

7.3.1 正激变换器输出功率公式的推导 188

7.3.2 推挽拓扑输出功率公式的推导 190

7.3.3 半桥拓扑输出功率公式的推导 194

7.3.4 全桥拓扑输出功率公式的推导 195

7.3.5 以查表方式确定磁心和工作频率 195

7.4 变压器温升的计算 202

7.5 变压器铜损的计算 204

7.5.1 概述 204

7.5.2 集肤效应 204

7.5.3 集肤效应——数量关系 205

7.5.4 不同规格的线径在不同频率下的交／直流阻抗比 207

7.5.5 矩形波电流的集肤效应［14］ 208

7.5.6 邻近效应 211

参考文献 217

第8章 双极型大功率晶体管的基极驱动电路 218

8.1 概述 218

8.2 双极型基极驱动电路的设计规则 218

8.2.1 器件导通期间的电流要求 218

8.2.2 导通瞬间基极过驱动峰值输入电流Ib1 219

8.2.3 基极关断反向电流尖峰Ib2 220

8.2.4 关断瞬间基射极间的反向电压尖峰 220

8.2.5 能同时满足高、低β值的晶体管工作要求的设计方案 222

8.2.6 驱动效率 222

8.3 贝克（Baker）钳位 222

8.3.1 Baker钳位的工作原理 224

8.3.2 使用变压器耦合的Baker钳位电路 226

8.3.3 变压器型Baker钳位［5］ 230

8.3.4 达林顿管（Darlington）内部的Baker钳位电路 231

8.3.5 比例基极驱动［2～4］ 232

8.3.6 其他类型的基极驱动电路 237

参考文献 241

第9章 大功率场效应管（MOSFET）及其驱动电路 242

9.1 概述 242

9.2 MOSFET管的基本工作原理 243

9.2.1 MOSFET管的输出特性（Id-Vds） 244

9.2.2 MOSFET管的输入阻抗和栅极电流 246

9.2.3 MOSFET管栅极驱动上升时间和下降时间 247

9.2.4 MOSFET管栅极驱动电路 248

9.2.5 MOSFET管Rds温度特性和安全工作区 251

9.2.6 MOSFET管栅极阈值电压及其温度特性 253

9.2.7 MOSFET管开关速度及其温度特性 253

9.2.8 MOSFET管的额定电流 254

9.2.9 MOSFET管并联工作［7］ 256

9.2.10 推挽拓扑中的MOSFET管 258

9.2.11 MOSFET管的最大栅极电压 259

9.2.12 MOSFET管源漏极间的体二极管 259

参考文献 260

第10章 磁放大器后级调节器 261

10.1 概述 261

10.2 线性调整器和buck后级调整器 262

10.3 磁放大器简介 262

10.3.1 用作快速开关的方形磁滞回线磁心 264

10.3.2 磁放大器中的关断和导通时间 266

10.3.3 磁放大器磁心复位及稳压 266

10.3.4 利用磁放大器关断辅输出 267

10.3.5 方形磁滞回线磁心特性和几种常用磁心 267

10.3.6 磁心损耗和温升的计算 274

10.3.7 设计实例——磁放大器后级整流 276

10.3.8 磁放大器的增益 278

10.3.9 推挽电路的磁放大器输出 279

10.4 磁放大器脉宽调制器和误差放大器 279

10.4.1 磁放大器脉宽调制及误差放大器电路 279

参考文献 281

第11章 缓冲网络 283

11.1 概述 283

11.2 无缓冲器的开关管的关断损耗 284

11.3 RCD关断缓冲器 285

11.4 RCD缓冲器中电容的选择 286

11.5 设计范例——RCD缓冲器 286

11.5.1 接电源正极的RCD缓冲器 287

11.6 无损缓冲器 288

11.7 防止开关管二次击穿的漏感尖峰缓冲器 289

11.8 变压器辅助缓冲器 291

参考文献 291

第12章 反馈环路的稳定 292

12.1 引言 292

12.2 系统振荡原理 293

12.2.1 电路稳定的增益准则 293

12.2.2 电路稳定的增益斜率准则 294

12.2.3 LC输出滤波器的增益特性（输出电容含／不含ESR） 297

12.2.4 脉宽调制器的增益 299

12.2.5 LC输出滤波器加调制器和采样网络的总增益 299

12.3 误差放大器幅频特性曲线的设计 299

12.4 误差放大器的传递函数、零点和极点 302

12.5 零、极点频率引起的增益斜率变化规则 303

12.6 含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导 304

12.7 根据2型误差放大器的零、极点位置计算它的相位延迟 305

12.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟 306

12.9 设计实例——含有2型误差放大器的正激变换器反馈系统的稳定 307

12.10 3型误差放大器的使用及其传递函数 310

12.11 3型误差放大器传递函数的零、极点位置引起的相位滞后 311

12.12 3型误差放大器的原理图、传递函数和零、极点位置 312

12.13 设计实例——含3型误差放大器的正激变换器反馈系统的稳定 313

12.14 获得所需3型误差放大器增益曲线的元件选择 314

12.15 反馈系统的条件稳定 315

12.16 不连续模式下反激变换器的稳定 316

12.16.1 从误差放大器输出到输出电压节点的直流增益 316

12.16.2 不连续模式下反激变换器的传递函数（从误差放大器输出到输出电压节点的交流增益） 317

12.17 不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数 319

12.18 设计实例——不连续模式下反激变换器的稳定 320

12.19 跨导误差放大器 322

参考文献 324

第13章 谐振变换器 325

13.1 引言 325

13.2 谐振正激变换器 326

13.2.1 某谐振正激变换器的实测波形 328

13.3 谐振变换器的工作模式 330

13.3.1 不连续模式和连续模式；过谐振和欠谐振模式 330

13.4 连续模式下的谐振半桥变换器［4］ 331

13.4.1 并联谐振变换器和串联谐振变换器 331

13.4.2 连续模式下串／并联负载谐振半桥变换器的交流等效电路和增益曲线［4］ 332

13.4.3 连续模式（CCM）下串联负载谐振半桥变换器的调节 333

13.4.4 连续模式下并联负载谐振半桥变换器的调节 334

13.4.5 连续模式下串／并联谐振变换器 335

13.4.6 连续模式下零电压开关准谐振变换器 337

13.5 谐振电源小结 338

参考文献 339

第3部分 开关电源的典型波形 343

第14章 波形 343

14.1 概述 343

14.2 正激变换器波形 344

14.2.1 80％额定负载下测得的Vds和Id的波形 344

14.2.2 40％额定负载下的Vdc和Ids的波形 346

14.2.3 导通／关断过程中漏源极间电压和漏极电流的重叠 347

14.2.4 漏极电流、漏源极间的电压和栅源极间的电压波形的相位关系 348

14.2.5 变压器的次级电压、输出电感电流的上升和下降时间与功率晶体管漏源电压波形 348

14.2.6 图14.1中的正激变换器的PWM驱动芯片（UC3525A）的关键点波形 348

14.3 推挽拓扑波形概述 349

14.3.1 最大、额定及最小电源电压下，负载电流最大时变压器中心抽头处的电流和开关管漏源极间的电压 350

14.3.2 两开关管Vds的波形及死区期间磁心的磁通密度 353

14.3.3 栅源极间电压、漏源极间电压和漏极电流的波形 354

14.3.4 电流探头串联于漏极时与串联于变压器中心抽头时测量得到的漏极电流波形的比较 354

14.3.5 输出纹波电压和整流器阴极电压 354

14.3.6 开关管导通时整流器阴极电压的振荡现象 355

14.3.7 开关管关断时下降的漏极电流和上升的漏源极间电压重叠产生的交流开关损耗 357

14.3.8 20％最大输出功率下漏源极间电压和在变压器中心抽头处测得的漏极电流的波形 357

14.3.9 20％最大输出功率下的漏极电流和漏极电压的波形 359

14.3.10 20％最大输出功率下两开关管漏源极间电压的波形 360

14.3.11 5V主输出电路的电感电流和整流器阴极电压的波形 360

14.3.12 输出电流大于最小输出电流时5V主输出整流器阴极电压的波形 360

14.3.13 栅源极间电压和漏极电流波形的相位关系 360

14.3.14 整流二极管（变压器次级）的电流波形 360

14.3.15 由于励磁电流过大或直流输出电流较小造成的每半周期两次“导通”的现象 360

14.3.16 输出115％最大功率时的漏极电流和漏源极间电压的波形 362

14.3.17 开关管死区期间的漏极电压振荡 362

14.4 反激拓扑波形 363

14.4.1 概述 363

14.4.2 90％满载情况下，输入电压为其最小值、最大值及额定值时漏极电流和漏源极间电压的波形 364

14.4.3 输出整流器输入端的电压和电流波形 365

14.4.4 开关管关断瞬间缓冲器电容的电流波形 367

第4部分 开关电源新技术 371

第15章 功率因数及功率因数校正 371

15.1 功率因数 371

15.2 开关电源的功率因数校正 372

15.3 校正功率因数的基本电路 373

15.3.1 用于功率因数校正的连续和不连续工作模式boost电路对比 375

15.3.2 连续工作模式下boost变换器对输入网压变化的调整 377

15.3.3 连续工作模式下boost变换器对负载电流变化的调整 377

15.4 用于功率因数校正的集成电路芯片 379

15.4.1 功率因数校正芯片Unitrode UC3854 379

15.4.2 用UC3854实现输入电网电流的正弦化 380

15.4.3 使用UC3854保持输出电压恒定 380

15.4.4 采用UC3854芯片的电源的输出功率 381

15.4.5 采用UC3854芯片的boost电路开关频率的选择 383

15.4.6 boost输出电感L1的选择 383

15.4.7 boost输出电容的选择 384

15.4.8 UC3854的峰值电流限制 385

15.4.9 设计稳定的UC3854反馈环 386

15.5 Motorola MC34261功率因数校正芯片 386

15.5.1 Motorola MC34261的详细说明（图15.11） 387

15.5.2 MC34261的内部逻辑及结构（图15.11和图15.12） 388

15.5.3 开关频率和L1电感值的计算 388

15.5.4 MC34261电流检测电阻（R9）和乘法器输入电阻网络（R3和R7）的选择 390

参考文献 390

第16章 电子镇流器 391

16.1 采用高频电源的原因 391

16.2 荧光灯的物理特性和类型 393

16.3 电弧特性 395

16.3.1 在直流电压下电极的电弧特性 396

16.3.2 交流驱动的荧光灯 398

16.3.3 荧光灯伏安特性 398

16.4 电子镇流器电路 401

16.5 DC/AC逆变器的一般特性 402

16.6 DC/AC逆变拓扑 403

16.6.1 电流馈电式推挽拓扑 403

16.6.2 电流馈电式推挽拓扑的电压和电流 406

16.6.3 电流馈电拓扑中的“电流馈电”电感的幅值 406

16.6.4 电流馈电电感中具体磁心的选择 407

16.6.5 电流馈电电感线圈的设计 412

16.6.6 电流馈电拓扑中的铁氧体磁心变压器 413

16.6.7 电流馈电拓扑的环形磁心变压器 418

16.7 电压馈电推挽拓扑 418

16.8 电流馈电并联谐振半桥拓扑 420

16.9 电压馈电串联谐振半桥拓扑 422

16.10 电子镇流器的封装 423

参考文献 424

第17章 用于笔记本电脑和便携式电子设备的低输入电压变换器 425

17.1 低输入电压芯片变换器供应商 425

17.2 凌特（Linear Technology）公司的boost和buck变换器［1］ 426

17.2.1 凌特LT1170 boost变换器［3］ 427

17.2.2 LT1170 boost变换器的主要波形 429

17.2.3 IC变换器的热效应［3］ 430

17.2.4 LT1170 boost变换器的应用 436

17.2.5 其他LTC高功率boost变换器［5］ 440

17.2.6 boost变换器的元件选择 440

17.2.7 凌特buck变换器系列 442

17.2.8 LT1074 buck变换器的应用 444

17.2.9 高效率LTC大功率buck变换器 449

17.2.10 凌特大功率buck变换器小结 455

17.2.11 凌特小功率变换器 455

17.2.12 反馈环的稳定［3］ 455

17.3 Maxim公司的变换器芯片 464

17.4 由芯片产品构成的分布式电源系统 466

参考文献 469