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第1章 开关功率变换原理1

1.1 引言1

1.2 概述和基本术语2

1.2.1 效率2

1.2.2 线性调整器4

1.2.3 利用开关器件提高效率5

1.2.4 半导体开关器件的基本类型6

1.2.5 半导体开关器件并非理想器件6

1.2.6 利用电抗元件提高效率7

1.2.7 早期RC型开关调整器8

1.2.8 LC型开关调整器8

1.2.9 寄生参数的影响9

1.2.10 高频开关时的问题10

1.2.11 可靠性、使用寿命和热管理11

1.2.12 应力降额12

1.2.13 技术进展12

1.3 电感13

1.3.1 电容、电感和电压、电流13

1.3.2 电感和电容的充放电电路13

1.3.3 能量守恒定律14

1.3.4 充电阶段和感应电压概念15

1.3.5 串联电阻对时间常数的影响16

1.3.6 R=0时的电感充电电路和电感方程17

1.3.7 对偶原理18

1.3.8 电容方程19

1.3.9 电感放电阶段19

1.3.10 反激能量和续流电流20

1.3.11 电流必须连续，但其变化率未必20

1.3.12 电压反向现象20

1.3.13 功率变换中的稳态及其不同工作模式21

1.3.14 伏秒定律、电感复位和变换器的占空比24

1.3.15 半导体开关器件的使用和保护25

1.4 开关拓扑的演变27

1.4.1 通过二极管续流控制感应电压尖峰27

1.4.2 达到稳态并获得有用能量28

1.4.3 升降压变换器29

1.4.4 电路的地参考点30

1.4.5 升降压变换器结构30

1.4.6 交换结点31

1.4.7 升降压变换器分析31

1.4.8 升降压变换器特性32

1.4.9 为什么仅有三种基本拓扑33

1.4.10 升压拓扑34

1.4.11 降压拓扑37

1.4.12 高级变换器设计38

第2章 DC-DC变换器及其磁性元件设计39

2.1 直流传递函数40

2.2 电感电流波形中的直流分量和交流纹波40

2.3 交流电流、直流电流和峰值电流的定义42

2.4 理解交流、直流和峰值电流44

2.5 定义“最恶劣”输入电压45

2.6 电流纹波率r47

2.7 r与电感值的关系47

2.8 r的最优值48

2.9 是电感尺寸，还是电感值49

2.10 负载电流对电感值和电感尺寸的影响50

2.11 供应商如何标定成品电感的额定电流，以及如何选择电感50

2.12 给定应用中需要考虑的电感电流额定值51

2.13 电流限制的范围和容限53

2.14 实例（1）55

2.14.1 设置r值时，对电流限制的考虑56

2.14.2 r值固定时，对连续导通模式的考虑57

2.14.3 使用低等效串联电阻的电容时，r值应设为大于0.458

2.14.4 设置r值以避免器件特殊性带来的问题59

2.14.5 设置r值以避免次谐波振荡60

2.14.6 使用L×I和负载缩放法快速选择电感63

2.15 实例（2、3和4）63

2.15.1 强迫连续导通模式下的电流纹波率r64

2.15.2 基本磁定义65

2.16 实例（5）不增加匝数67

2.16.1 磁场纹波系数68

2.16.2 用伏秒积来分析电压型方程（MKS单位制）68

2.16.3 CGS单位制68

2.16.4 用伏秒积来分析电压型方程（CGS单位制）69

2.16.5 磁芯损耗69

2.17 实例（6）特定应用中成品电感的特性70

2.17.1 评估需求70

2.17.2 电流纹波率72

2.17.3 峰值电流72

2.17.4 磁通密度73

2.17.5 铜损73

2.17.6 磁芯损耗74

2.17.7 DC-DC变换器设计和磁性元件74

2.17.8 温升74

2.18 其他极限应力计算及其选择标准75

2.18.1 最大磁芯损耗75

2.18.2 最大二极管损耗76

2.18.3 一般二极管选择步骤76

2.18.4 最大开关损耗77

2.18.5 一般开关管选择步骤78

2.18.6 最大输出电容损耗78

2.18.7 一般输出电容选择步骤78

2.18.8 最大输入电容损耗79

2.18.9 一般输入电容选择步骤80

第3章 离线式变换器及其磁性元件设计81

3.1 反激变换器的磁性元件81

3.1.1 变压器绕组的极性81

3.1.2 反激变换器的变压器功能及其占空比83

3.1.3 等效升降压变换器模型85

3.1.4 反激变换器的电流纹波率86

3.1.5 漏感87

3.1.6 稳压管钳位损耗87

3.1.7 副边侧漏感也影响原边侧87

3.1.8 测量有效的原边侧漏感88

3.1.9 实例（7）反激变压器设计88

3.1.10 选择线规和铜箔厚度93

3.2 正激变换器的磁性元件96

3.2.1 占空比96

3.2.2 最恶劣输入电压98

3.2.3 利用窗口面积99

3.2.4 磁芯尺寸与其功率吞吐量的关系100

3.2.5 实例（8）正激变压器设计101

第4章 拓扑的常见问题和解答113

第5章 高级磁技术：最优磁芯选择128

5.1 第1部分：能量传输原理128

5.1.1 拓扑概述128

5.1.2 能量传输图133

5.1.3 峰值储能要求138

5.1.4 根据预期电流纹波计算电感值141

5.2 第2部分：能量与磁芯尺寸143

5.2.1 磁路和有气隙磁芯的有效磁路长度143

5.2.2 有气隙磁芯的储能和z因数145

5.2.3 有气隙磁芯的能量与磁芯体积的关系148

5.3 第3部分：从螺线管到E型磁芯151

5.4 第4部分：更多AC-DC反激变压器设计细节153

5.5 第5部分：更多AC-DC正激变换器变压器设计细节157

第6章 元器件额定值、应力、可靠性和寿命163

6.1 引言163

6.2 应力和降额163

6.3 第1部分：功率变换器的额定值和降额166

6.3.1 工作环境166

6.3.2 电源中元器件的额定值和应力系数169

6.3.3 机械应力177

6.4 第2部分：平均无故障时间、失效率、保修成本和寿命177

6.4.1 MTBF178

6.4.2 保修成本180

6.4.3 寿命期望和失效标准181

6.4.4 可靠性预测方法182

6.4.5 验证可靠性测试183

6.4.6 加速寿命试验184

6.5 第3部分：铝电解电容寿命预测185

第7章 最优功率器件选择190

7.1 概述190

7.2 功率变换器的主要应力190

7.3 不同拓扑的波形和峰值电压应力191

7.4 电流有效值和平均值的重要性195

7.5 二极管、场效应管和电感的电流有效值和平均值计算196

7.6 电容的电流有效值和平均值计算198

7.7 蜘蛛状应力曲线204

7.8 降低AC-DC变换器应力206

7.9 RCD钳位和RCD吸收电路208

第8章 导通损耗和开关损耗213

8.1 阻性负载时的开关转换过程213

8.2 感性负载时的开关转换过程216

8.3 开关损耗和导通损耗218

8.4 感性负载时用于开关损耗研究的MOSFET简化模型219

8.5 寄生电容在交流系统中的表示方法220

8.6 栅极阈值电压221

8.7 导通转换过程222

8.8 关断转换过程225

8.9 栅荷系数229

8.10 实例230

8.10.1 导通过程231

8.10.2 关断过程232

8.11 开关拓扑的开关损耗分析233

8.12 开关损耗对应的最恶劣输入电压233

8.13 开关损耗随寄生电容变化234

8.14 根据MOSFET特性优化驱动能力235

第9章 探索新拓扑237

9.1 第1部分：恒频同步降压拓扑237

9.1.1 用场效应管（安全地）替代二极管237

9.1.2 死区时间的产生239

9.1.3 CdV/dt引起场效应管导通239

9.1.4 体二极管续流240

9.1.5 外部（并联）肖特基二极管241

9.1.6 同步（互补）驱动242

9.2 第2部分：恒频同步升压拓扑242

9.3 第3部分：电流检测的分类及其常规技术246

9.3.1 直流电阻检测247

9.3.2 无感降压单元251

9.3.3 无损下垂调整和动态电压调整253

9.4 第4部分：四管升降压拓扑255

9.5 第5部分：辅助端和复合拓扑259

9.5.1 是升压拓扑还是升降压拓扑260

9.5.2 理解Cuk、Sepic和Zeta拓扑261

9.5.3 计算Cuk、Sepic和Zeta变换器的电流波形266

9.5.4 Cuk、Sepic和Zeta拓扑的应力和元器件选择标准267

9.6 第6部分：结构和拓扑形态268

9.7 第7部分：其他拓扑和技术272

9.7.1 隐藏的辅助端和对称性272

9.7.2 多输出和浮动降压调整器273

9.7.3 滞环控制器274

9.7.4 跨脉冲模式277

9.7.5 实现正激变换器变压器复位278

第10章 印制电路板设计281

10.1 引言281

10.2 印制线分析281

10.3 设计要点282

10.4 热管理问题286

第11章 热管理288

11.1 热阻和电路板结构288

11.2 历史定义290

11.3 自然对流的经验方程291

11.4 两个标准经验方程对比292

11.4.1 热动力学理论中的h293

11.4.2 印制电路板铜面积估算294

11.5 铜印制线尺寸294

11.6 一定海拔高度上的自然对流295

11.7 强制空气冷却295

11.8 热辐射传递296

11.9 其他问题297

第12章 反馈环路分析及稳定性298

12.1 传递函数、时间常数和激励函数298

12.2 理解e并绘制对数坐标曲线299

12.3 复数表示法300

12.4 重复和非重复激励：时域和频域分析301

12.5 s平面302

12.6 拉普拉斯变换302

12.7 干扰及反馈的角色304

12.8 RC滤波器的传递函数、增益和伯德图306

12.9 积分运算放大器（零极点滤波器）308

12.10 对数坐标系下的数学运算310

12.11 后级LC滤波器的传递函数310

12.12 无源滤波器传递函数小结313

12.13 极点和零点314

12.14 极点和零点的相互作用315

12.15 闭环增益和开环增益316

12.16 分压器318

12.17 脉宽调制器的传递函数318

12.18 电压（输入）前馈320

12.19 功率级传递函数320

12.20 拓扑结构的被控对象传递函数321

12.20.1 降压变换器321

12.20.2 升压变换器322

12.20.3 升降压变换器323

12.21 反馈部分的传递函数324

12.22 闭环326

12.23 环路稳定性判据及策略328

12.24 绘制三种拓扑的开环增益328

12.25 等效串联电阻零点332

12.26 高频极点332

12.27 设计3型运算放大器补偿网络333

12.28 优化反馈环路336

12.29 输入纹波抑制337

12.30 负载的暂态响应338

12.31 1型和2型补偿339

12.32 跨导运算放大器补偿340

12.33 更简单的跨导运算放大器补偿343

12.34 电流模式控制补偿344

第13章 高级命题：并联、交错和负载均流352

13.1 第1部分：变换器的电压纹波352

13.2 第2部分：功率变换器应力分配及降低357

13.2.1 概述357

13.2.2 功率变换器的功率缩放357

13.2.3 降压变换器的并联和交错360

13.2.4 交错式降压变换器的应力有效值封闭形式方程364

13.2.5 交错式升压功率因数校正变换器367

13.2.6 交错式多相变换器367

13.3 第3部分：交错式降压变换器中的耦合电感367

13.4 第4部分：并联变换器的负载均流377

13.4.1 被动式均流377

13.4.2 主动式负载均流381

第14章 AC-DC电源前级电路383

14.1 概述383

14.2 第1部分：小功率应用384

14.2.1 充电和放电阶段384

14.2.2 电容值增加，tcOND减小，导致电流有效值增加386

14.2.3 电容电压轨迹和基本阶段387

14.2.4 容忍AC-DC开关变换器中的高输入电压纹波387

14.2.5 大容量电容电压纹波对开关变换器设计的影响389

14.2.6 常用反激电源失效保护方案389

14.2.7 输入电流波形和电容电流391

14.2.8 如何正确说明μF/W392

14.2.9 利用速查数据或“北极模拟法”的算例393

14.2.10 电容公差和寿命394

14.2.11 保持时间395

14.2.12 两种不同的满足保持时间要求的反激变换器设计策略399

14.3 第2部分：大功率应用和功率因数校正401

14.3.1 概述401

14.3.2 如何使升压拓扑呈现正弦波输入电流404

14.3.3 功率因数校正级和脉宽调制级的反同步技术407

14.3.4 采用或不采用反同步技术时电容电流有效值计算412

14.3.5 交错式升压功率因数校正级414

14.3.6 功率因数校正级的实际设计问题414

14.3.7 功率因数校正扼流圈设计准则415

14.3.8 功率因数校正扼流圈的磁芯损耗417

14.3.9 临界升压有源功率因数校正级418

第15章 电磁干扰标准及测量419

15.1 第1部分：概述419

15.1.1 标准419

15.1.2 电磁干扰限制420

15.1.3 一些与成本相关的经验法则422

15.1.4 组件的电磁干扰423

15.1.5 电磁波和电磁场423

15.1.6 外推法426

15.1.7 准峰值、平均值和峰值测量427

15.2 第2部分：传导电磁干扰测量428

15.2.1 差模和共模噪声428

15.2.2 用线路阻抗稳定网络测量传导电磁干扰430

15.2.3 用简单的数学方法估算最大传导噪声电流432

15.2.4 用于传导电磁干扰诊断的共模和差模分量432

15.2.5 用于辐射电磁干扰诊断的近场嗅探器436

第16章 实用电源电磁干扰滤波器及噪声源437

16.1 第1部分：实用电源滤波器437

16.1.1 电磁干扰滤波器设计中的基本安全问题437

16.1.2 四种常用的涂层工艺及其优缺点438

16.1.3 总Y电容的安全限制439

16.1.4 实用电源滤波器439

16.1.5 等效差模和共模电路检查及滤波器设计要点445

16.1.6 接地扼流圈446

16.1.7 电磁干扰滤波器设计方面一些值得注意的工业经验447

16.2 第2部分：开关电源中的差模和共模噪声447

16.2.1 差模噪声的主要来源447

16.2.2 共模噪声的主要来源447

16.2.3 机壳上安装半导体器件450

16.2.4 共模噪声源450

16.2.5 高性价比滤波器设计451

第17章 电路板电磁干扰治理及输入滤波器稳定性453

17.1 第1部分：减少电磁干扰的实用技术453

17.1.1 覆地453

17.1.2 变压器在电磁干扰中的角色453

17.1.3 二极管的电磁干扰458

17.1.4 辐射测试会失败吗460

17.2 第2部分：电源模块及输入不稳定性461

第18章 电磁难题背后的数学466

18.1 电源中的傅里叶级数466

18.2 方波466

18.3 辛克函数468

18.4 傅里叶级数的幅值包络线470

18.5 实用差模滤波器设计472

18.5.1 等效串联电阻估计473

18.5.2 高电网电压下的差模滤波器计算474

18.5.3 低电网电压下的差模滤波器计算475

18.5.4 滤波器的安全裕量477

18.6 实用共模滤波器设计477

第19章 算例481

19.1 算例481

19.2 第1部分：场效应管的选择486

19.3 第2部分：场效应管的导通损耗487

19.4 第3部分：场效应管的开关损耗488

19.5 第4部分：电感损耗491

19.6 第5部分：输入电容的选择及其损耗493

19.7 第6部分：输出电容的选择及其损耗493

19.8 第7部分：总损耗和效率估计495

19.9 第8部分：结温估计495

19.10 第9部分：控制环设计496

附录500

索引507