开关电源技术与设计

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的调制方式 4 1.1.3 开关管、续流二极管及电感的电流 5 1.1.4 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响 7 1.1.5 *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 15 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 18 1.4 三种基本DC-DC变换器的特性比较 20 1.5 DC-DC变换器的电流纹波比γ的选择 21 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 习题 26 第2章 DC-DC变换器储能电感设计 27 2.1 磁性元件设计过程涉及的电磁学知识 27 2.2 电感存储能量与电感磁芯体积之间的关系 28 2.3 储能电感AP法公式的推导 29 2.4 磁芯气隙的设置 30 2.4.1 在闭合磁路中开气隙的必要性 30 2.4.2 气隙位置 30 2.4.3 无气隙磁芯的相对磁导率与电感系数 31 2.4.4 带气隙磁芯的有效磁导率 32 2.5 DC-DC变换器储能电感磁芯体积的选择依据 33 2.5.1 Buck-Boost变换器储能电感与反激变换器储能变压器磁芯体积的估算 33 2.5.2 Buck变换器电感磁芯体积的估算 35 2.5.3 Boost变换器电感磁芯体积的估算 36 2.6 绕线匝数及线径的规划 36 2.6.1 *小匝数N 36 2.6.2 趋肤效应与线径d 37 2.6.3 估算绕线窗口的利用率 38 2.7 磁芯气隙长度的计算 39 2.7.1 气隙截面积Aδ的计算 39 2.7.2 带气隙磁芯的电感量L与气隙长度δ的计算 39 2.7.3 气隙长度δ的计算步骤 40 2.8 磁芯的选择 41 2.8.1 理想磁性材料的主要性能指标 42 2.8.2 常用铁氧体磁芯材料 42 2.8.3 常用磁粉芯材料 44 2.8.4 磁芯形态的选择 45 2.8.5 磁芯参数 46 2.9 电感线圈的绕制 49 2.10 输出电压的选择 50 2.11 Buck变换器设计举例 50 2.11.1 用铁氧体磁芯作为电感磁芯的设计过程 51 2.11.2 用磁粉芯作为电感磁芯的设计过程 54 习题 56 第3章 其他形式DC-DC变换器 57 3.1 Cuk变换器 57 3.1.1 工作原理 57 3.1.2 耦合电容电压、输出电压及占空比 59 3.1.3 导通及截止期间两电感电压的关系 60 3.1.4 导通及截止期间两电感电流的关系 61 3.1.5 设计步骤 61 3.2 SEPIC变换器 64 3.2.1 工作原理 64 3.2.2 占空比D与输出电压UO 66 3.2.3 导通及截止期间两电感电压的关系 66 3.2.4 导通及截止期间两电感电流的关系 66 3.2.5 设计步骤 67 3.3 Zeta变换器 69 3.4 输入与输出不共地的Buck变换器 70 3.5 驱动方便的Buck-Boost变换器 72 习题 73 第4章 反激变换器 74 4.1 工作原理 74 4.1.1 简化电路及波形 75 4.1.2 等效电路 76 4.1.3 占空比D及输出电压UO 78 4.2 漏感能量吸收回路 79 4.2.1 RCD钳位电路的工作原理 79 4.2.2 RCD吸收回路损耗与参数计算 81 4.2.3 RCD参数计算过程及实例 84 4.2.4 RCD吸收电路的局限性 86 4.2.5 减小漏感能量吸收回路损耗的方法 87 4.3 反激变换器的设计要领 87 4.3.1 反射电压UOR、钳位电压UClamp与*大占空比Dmax的关系 87 4.3.2 磁芯几何参数的选择策略 90 4.3.3 反激变换器各绕组顺序的规划 90 4.3.4 屏蔽绕组的设置与连接 95 4.3.5 骨架引脚的分配规则 96 4.3.6 变压器或电感的绕线工艺图 96 4.4 CCM模式下反激变换器的设计过程 98 4.4.1 储能变压器及开关管等关键元件的参数计算 98 4.4.2 具有多个次级绕组与负载电流变化范围较大的反激变换器的参数计算 104 4.5 常见的次级输出电路 105 4.5.1 恒压输出电路 105 4.5.2 恒流输出电路 108 4.6 双管反激变换器 111 4.6.1 工作原理 112 4.6.2 优缺点及使用条件 113 4.6.3 设计过程 114 4.7 DCM模式反激变换器 114 4.7.1 PWM调制DCM模式反激变换器的电流、电压关系 115 4.7.2 PWM调制DCM模式反激变换器的特征 117 4.8 准谐振反激变换器 118 4.8.1 工作原理 119 4.8.2 开关频率限制策略 121 4.8.3 关键参数的计算 123 4.9 原边反馈(PSR)反激变换器 126 4.9.1 输出电压检测及CV控制原理 126 4.9.2 输出电流检测及CC控制原理 127 4.9.3 PSR反激变换器的特征及其组合 128 4.10 反激变换器的调试 129 习题 130 第5章 输入通道 132 5.1 EMI干扰与输入电路形式 132 5.1.1 EMI的基本概念及产生原因 132 5.1.2 EMI信号的度量单位及限制 133 5.1.3 输入电路的形式 134 5.2 整流电路 135 5.3 工频滤波电路 136 5.3.1 工频滤波电容容量的经验值 137 5.3.2 市电不缺周期情况下的*小输入滤波电容 137 5.3.3 市电缺半个或一个市电周期后由*小输出电压决定的*小滤波电容 138 5.3.4 由纹波电流决定的*小滤波电容 140 5.4 输入过流过压保护电路 141 5.4.1 保险丝(管) 141 5.4.2 防雷元件 141 5.5 功率型NTC电阻 143 5.6 EMI滤波电路 145 5.6.1 安规电容的选择 146 5.6.2 EMI滤波电感的设计 148 习题 148 第6章 开关变换器控制芯片 149 6.1 电压型控制 149 6.2 电流型控制 151 6.2.1 峰值电流型控制 151 6.2.2 峰值电流型控制器次谐振现象与斜率补偿电路 152 6.2.3 平均电流型控制 154 6.2.4 电流滞环型控制 155 6.3 电流型PWM控制器典型芯片 155 6.3.1 启动电路 156 6.3.2 时钟电路 158 6.3.3 斜坡电流取样电阻RS的确定 160 6.3.4 典型应用电路 160 6.4 峰值电流型PWM控制芯片新技术 162 6.4.1 FAN6757芯片的内部框图 162 6.4.2 FAN6757芯片的主要特征 164 6.4.3 保护功能 169 习题 171 第7章 功率因数校正(PFC)电路 172 7.1 市电整流电容滤波电路的电流波形特征 172 7.2 非线性电路的功率因数PF及总谐波失真度THD 173 7.2.1 非线性电路的功率因数PF 173 7.2.2 非线性电路的总谐波失真度THD 174 7.2.3 低功率因数（PF）对电网的危害 174 7.2.4 电器/设备的谐波标准 175 7.3 AC-DC变换器功率因数校正(PFC)电路 176 7.3.1 无源功率因数校正电路 176 7.3.2 有源功率因数校正电路 178 7.4 单相Boost APFC变换器 179 7.4.1 DCM模式Boost APFC变换器 179 7.4.2 CCM模式Boost APFC变换器 180 7.5 BCM模式Boost APFC变换器 190 7.5.1 电感峰值电流iLPK(t)与驱动电源输入电流iIN(t) 191 7.5.2 *小开关频率fSWmin的推导 193 7.5.3 *小电感量的确定 194 7.5.4 开关管电流与开关管导通损耗的计算 195 7.5.5 利用“体积法”大致估算电感磁芯的尺寸 196 7.5.6 零电流检测辅助绕组匝数 196 7.5.7 续流二极管电流 196 7.5.8 由输出纹波电压决定的输出电容C的计算 198 7.5.9 基于BCM模式的Boost APFC设计实例 199 7.5.10 基于FAN7930B控制芯片的APFC电路 201 7.6 带PFC功能的单管反激变换器 207 7.6.1 电感峰值电流iLPK(t) 208 7.6.2 截止时间Toff与输入电流iIN(t) 209 7.6.3 初级绕组的峰值电流与*小电感量 212 7.6.4 初级绕组的电流有效值 213 7.6.5 次级回路电流 214 7.6.6 输出滤波电容C的选择与输出电压纹波 215 7.6.7 全电压输入PFC单管反激变换器设计实例 216 7.6.8 基于FAN7930B控制芯片的PFC单管反激变换器 220 7.6.9 PFC单管反激变换器的调试 223 7.7 单相大功率APFC电路 224 7.7.1 交错式APFC电路 225 7.7.2 无桥APFC电路 235 7.7.3 无桥交错式APFC电路 239 习题 241 第8章 正激变换器 242 8.1 正激变换器及其等效电路 242 8.2 正激变换器磁通复位方式概述 244 8.3 三绕组去磁正激变换器 245 8.3.1 三绕组去磁正激变换器的波形 246 8.3.2 *恶劣条件 247 8.3.3 *大占空比Dmax的限制 247 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 248 8.3.5 估算变压器的*大匝比n 249 8.3.6 变压器参数选择 249 8.3.7 设计实例 251 8.4 二极管去磁双管正激变换器 261 8.4.1 工作原理 261 8.4.2 优缺点及设计 262 8.4.3 驱动电路设计 263 8.5 RCD去磁正激变换器 265 8.5.1 激磁电流处于CCM模式 266 8.5.2 激磁电流处于DCM模式 267 习题 268 第9章 硬开关桥式及推挽变换器 269 9.1 半桥变换器 269 9.1.1 原理电路 270 9.1.2 初级侧实际电路 272 9.1.3 次级等效电路 274 9.1.4 半桥变换器磁芯的选择 276 9.1.5 隔直电容C3参数的计算 278 9.2 全桥变换器 279 9.2.1 原理电路 279 9.2.2 输入、输出电压关系 280 9.2.3 变压器参数计算 281 9.3 倍流整流电路 283 9.3.1 原理电路 284 9.3.2 输入与输出关系 286 9.3.3 滤波电感L1及L2的设计 287 9.3.4 同步倍流整流电路 288 9.4 推挽变换器 290 9.4.1 原理电路 290 9.4.2 工作原理 291 9.4.3 推挽变换器与桥式变换器比较 293 习题 293 第10章 软开关桥式变换器 295 10.1 软开关变换器概述 295 10.2 非对称半桥变换器 296 10.2.1 原理电路 296 10.2.2 工作原理 297 10.3 非对称半桥PWM反激变换器 301 10.3.1 原理电路 301 10.3.2 工作原理 301 10.4 具有ZVS开通特性的全桥变换器 303 10.4.1 原理电路 304 10.4.2 工作原理 305 10.4.3 稳压原理 310 10.4.4 固有缺陷 311 10.4.5 下管调制的全桥变换器 313 10.5 半桥LLC谐振变换器 313 10.5.1 原理电路 314 10.5.2 工作原理 316 10.5.3 等效电路 322 10.5.4 稳压原理 329 10.5.5 半桥LLC谐振变换器控制芯片 329 10.6 半桥LLC谐振变换器设计 330 10.6.1 工作区的选择依据 330 10.6.2 电感比mL的选择策略 333 10.6.3 品质因数Q的选择依据及确定方法 334 10.6.4 设计实例 337 10.6.5 磁性元件的制作 345 10.7 全桥LLC变换器与交错式LLC谐振变换器 346 10.7.1 全桥LLC谐振变换器 347 10.7.2 交错式LLC谐振变换器 347 10.8 桥式LCC谐振变换器 353 10.8.1 等效电路 354 10.8.2 工作区特征 357 10.8.3 工作原理 358 10.9 半桥LCC谐振变换器恒流输出模式的参数设计 362 习题 368 第11章 同步整流技术 370 11.1 同步整流原理 371 11.2 同步整流MOS管驱动方式 372 11.2.1 电压自驱动 374 11.2.2 电流自驱动 379 11.2.3 集成控制IC驱动 380 习题 382 第12章 环路稳定性设计 383 12.1 概述 383 12.1.1 二端口网络的传递函数 383 12.1.2 极点、零点的概念及性质 385 12.1.3 闭环控制及网络传递函数 387 12.2 开关电源闭环控制 387 12.2.1 闭环控制系统概述 387 12.2.2 理想环路的频率特性曲线 388 12.2.3 输出取样点的选择 389 12.3 反馈补偿网络的传递函数 390 12.3.1 Ⅰ型反馈补偿网络的传递函数 391 12.3.2 PI型反馈补偿网络的传递函数 392 12.3.3 Ⅱ型反馈补偿网络的传递函数 393 12.3.4 Ⅲ型反馈补偿网络的传递函数 394 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 395 12.4 加入光耦及TL431后补偿网络的传递函数 397 12.4.1 基于Ⅰ型的补偿网络 397 12.4.2 基于Ⅱ型的补偿网络 398 12.4.3 基于PI型补偿网络 400 12.5 常见变换器环路设计 402 12.5.1 CCM模式下反激变换器由控制到输出的传递函数 402 12.5.2 CCM模式下反激变换器反馈补偿网络设计 403 12.5.3 BCM及DCM模式下反激变换器由控制到输出的传递函数 405 12.5.4 正激变换器环路设计 408 12.5.5 BCM模式APFC变换器环路设计 408 12.5.6 反馈补偿网络元件参数的快速估算 409 习题 411 第13章 开关电源PCB设计 412 13.1 与PCB设计相关的安规知识 412 13.1.1 电器产品防电击设计的分类 412 13.1.2 电源产品执行的安规标准 413 13.1.3 绝缘等级与安全间距 413 13.2 PCB设计规则 415 13.2.1 PCB板工艺规划 419 13.2.2 AC输入滤波电路的布局布线原则 422 13.2.3 关键回路与节点走线 423 13.2.4 并联滤波电容的连线方式 427 13.2.5 地线处理 428 13.3 PCB散热设计 430 习题 431 第14章 开关电源重要元器件及材料简介 432 14.1 功率二极管 432 14.1.1 功率二极管的主要参数 432 14.1.2 整流二极管的开关特性及损耗 433 14.1.3 常见整流二极管的特性 434 14.2 功率MOS管 435 14.2.1 功率MOS管的主要参数 437 14.2.2 功率MOS管的开关特性及损耗 438 14.2.3 功率MOS管的常见驱动电路 441 14.3 常用电容 443 14.3.1 电解电容 443 14.3.2 瓷片电容 447 14.3.3 有机薄膜电容 448 14.4 漆包线参数 449 习题 453 参考文献 454