內容簡介
本書以開關電源常見的拓撲結構和關鍵元件的設計為主線，面向初學者，以高等學校電類相關專業的學生、工程技術人員作為主要的服務對象。作者本著“注重基礎、說透原理、面向設計”的原則安排全書內容，並力爭從實用角度出發，用通俗易懂的語言，由淺入深，系統、詳細地介紹了DC-DC、反激、正激、APFC、APFC反激、半橋、LLC半橋等常用拓撲結構的工作原理、設計思路以及元件參數的計算過程等內容。
本書可作為相關工程技術人員的參考書，亦可作為高等學校有關專業“開關電源技術”課程的教材或教學參考書。
目錄
第1章 基本DC-DC變換器原理 1
1.1 Buck變換器 1
1.1.1 工作原理 3
1.1.2 占空比D與輸出電壓UO 4
1.1.3 輸入電壓UIN變化對電感峰值電流的影響 5
1.1.4 電感、開關管及續流二極體電流 6
1.1.5 最小電感量L 8
1.1.6 負載變化對電感電流的影響 8
1.2 Boost變換器 9
1.2.1 工作原理 10
1.2.2 占空比D 11
1.2.3 輸入電壓UIN變化對電感峰值電流的影響 11
1.2.4 電感、開關管及續流二極體電流 12
1.2.5 負載變化對電感電流的影響 13
1.3 Buck-Boost變換器 14
1.3.1 工作原理 14
1.3.2 占空比D 15
1.3.3 電感、開關管及續流二極體電流 15
1.3.4 輸入電壓UIN變化對電感峰值電流的影響 16
1.3.5 負載變化對電感電流的影響 17
1.4 三種基本DC-DC變換器特性比較 18
1.5 DC-DC變換器電流紋波係數γ的選擇 19
1.6 輸出濾波電容選擇 19
1.6.1 輸出濾波電容因ESR電阻引起的輸出電壓波動 20
1.6.2 對輸出電容C充放電引起的輸出電壓波動 21
第2章 DC-DC變換器儲能電感設計 25
2.1 設計過程涉及到的電磁學知識 25
2.2 電感存儲能量與電感磁芯體積之間的關係 26
2.3 儲能電感AP法公式推導 27
2.4 磁芯氣隙設定 28
2.4.1 在閉合磁路中開氣隙的必要性 28
2.4.2 氣隙位置 29
2.4.3 無氣隙磁芯相對磁導率與電感係數 29
2.4.4 帶氣隙磁芯的有效磁導率 30
2.5 DC-DC變換器儲能電感磁芯體積選擇依據 32
2.5.1 Buck-Boost反激變換器磁芯體積估算 32
2.5.2 Buck變換器電感磁芯體積估算 34
2.5.3 Boost變換器電感磁芯體積估算 35
2.6 繞線匝數與線徑規劃 35
2.6.1 最小匝數N 35
2.6.2 趨膚效應與線徑d 36
2.6.3 估算繞線視窗利用率 37
2.7 磁芯氣隙長度計算 38
2.7.1 氣隙截面積Aδ的計算 38
2.7.2 帶氣隙磁芯的電感量L與氣隙長度δ的計算 38
2.7.3 氣隙長度δ計算步驟 39
2.8 磁芯選擇 40
2.8.1 磁芯材料 40
2.8.2 磁芯形態選擇 40
2.8.3 磁芯參數 42
2.9 電感線圈繞制 44
2.10 輸出電壓的選擇 45
2.11 Buck變換器設計舉例 46
第3章 其他形式DC-DC變換器原理與設計 50
3.1 Cuk變換器 50
3.1.1 工作原理 50
3.1.2 耦合電容電壓、輸出電壓及占空比 53
3.1.3 導通及截止期間兩電感電壓關係 54
3.1.4 電流關係 54
3.1.5 設計步驟 55
3.2 SEPIC變換器 58
3.2.1 工作原理 58
3.2.2 占空比與輸出電壓 60
3.2.3 導通及截止期間兩電感電壓關係 60
3.2.4 電流關係 61
3.2.5 設計步驟 61
3.3 Zeta變換器 64
3.4 輸入與輸出不共地的Buck變換器 65
3.5 驅動方便的Buck-Boost變換器 66
第4章 反激變換器原理與設計 68
4.1 工作原理 68
4.1.1 簡化電路及波形 70
4.1.2 等效電路 71
4.1.3 占空比D及輸出電壓UO 72
4.2 漏感能量吸收迴路 73
4.2.1 RCD鉗位電路工作原理 74
4.2.2 RCD吸收迴路損耗與參數計算 76
4.2.3 RCD參數計算過程及實例 78
4.2.4 RCD吸收電路的局限性 79
4.2.5 減小漏感能量吸收迴路損耗方法 80
4.3 反激變換器設計要領 81
4.3.1 反射電壓UOR、鉗位電壓UZ和最大占空比Dmax的關係 81
4.3.2 反激變換器電流紋波比的折中選擇 83
4.3.3 磁芯幾何參數選擇策略 84
4.3.4 反激變換器各繞組順序規劃 85
4.3.5 禁止繞組設定與連線 90
4.3.6 骨架引腳分配規劃 90
4.3.7 變壓器或電感繞線工藝圖 91
4.4 CCM模式下反激變換器設計過程 92
4.4.1 儲能變壓器及開關管等關鍵元件參數計算 93
4.4.2 多輸出繞組反激變換器參數計算 97
4.5 常見的次級輸出電路 99
4.5.1 恆壓輸出電路 99
4.5.2 恆流輸出電路 102
4.6 雙管反激變換器 105
4.6.1 工作原理 105
4.6.2 優缺點及使用條件 106
4.6.3 設計過程 107
4.7 DCM模式反激變換器 107
4.7.1 DCM模式反激變換器電流電壓關係 109
4.7.2 PWM調製DCM模式反激變換器特徵 110
4.8 準諧振（OR）反激變換器 111
4.8.1 準諧振反激變換器原理 112
4.8.2 開關頻率限制策略 113
4.8.3 準諧振反激變換器關鍵參數計算 114
4.9 原邊反饋（PSR）反激變換器 118
4.9.1 輸出電壓檢測及CV原理 119
4.9.2 輸出電流檢測及CC原理 120
4.9.3 PSR反激變換器特徵及其組合 120
4.10 反激變換器調試 121
第5章 輸入通道 123
5.1 EMI干擾與輸入電路形式 123
5.1.1 EMI基本概念及產生原因 123
5.1.2 EMI信號度量單位及限制 124
5.1.3 輸入電路形式 125
5.2 整流電路 126
5.3 工頻濾波電路 127
5.3.1 輸入濾波電容容量的經驗值 127
5.3.2 輸入市電周期完整時的最小濾波電容 128
5.3.3 輸入市電周期不完整對應的最小電壓決定的最小濾波電容 129
5.3.4 由紋波電流決定的最小濾波電容 130
5.4 輸入保護電路 131
5.4.1 保險絲(管) 131
5.4.2 防雷擊元件 132
5.5 功率型NTC電阻 133
5.6 EMI濾波電路 134
5.6.1 安規電容濾波 136
5.6.2 EMI濾波電感設計 138
第6章 PWM控制晶片 139
6.1 電壓型控制 139
6.2 電流型控制 141
6.2.1 峰值電流控制 141
6.2.2 峰值電流型控制器次諧振現象與斜坡補償電路 143
6.2.3 平均電流型控制 145
6.2.4 電流滯環型控制 146
6.3 電流型PWM控制器典型晶片 146
6.3.1 啟動電路 147
6.3.2 時鐘電路 149
6.3.3 斜坡電壓取樣電阻RS的確定 151
6.3.4 典型套用電路 151
6.4 峰值電流型PWM控制晶片新技術 154
6.4.1 FAN6757晶片內部結構框圖 154
6.4.2 FAN6757晶片主要特徵 156
6.4.3 保護功能 161
第7章 功率因素校正(PFC)電路 163
7.1 市電整流電容濾波電路電流波形特徵 163
7.2 非線性電路功率因素PF及總諧波失真度THD的定義 164
7.2.1 非線性電路功率因素PF的定義 165
7.2.2 非線性電路總諧波失真度THD 165
7.2.3 低功率因素PF對電網的危害 166
7.2.4 電器設備諧波標準 166
7.3 AC-DC變換器功率因素校正(PFC)電路 168
7.3.1 無源功率因素校正電路 168
7.3.2 有源功率因素校正電路 170
7.4 單相Boost APFC變換器概述 170
7.4.1 DCM Boost PFC簡介 171
7.4.2 CCM Boost PFC簡介 172
7.5 BCM Boost APFC變換器 173
7.5.1 電感峰值電流iLPK(t)與電源輸入電流IIN(t) 174
7.5.2 最小開關頻率fSWmin的推導 176
7.5.3 最小電感量的確定 177
7.5.4 開關管電流與開關管導通損耗計算 178
7.5.5 利用“體積-功率”法大致估算電感磁芯尺寸 179
7.5.6 零電流檢測輔助繞組匝數 179
7.5.7 續流二極體電流 180
7.5.8 由輸出紋波電壓決定的輸出電容C大小的計算 181
7.5.9 基於BCM模式Boost APFC設計實例 181
7.5.10 基於FAN7930B控制晶片的APFC電路 184
7.6 帶PFC功能的單管反激變換器 189
7.6.1 電感峰值電流iLPK(t) 190
7.6.2 截止時間Toff與電源輸入電流IIN(t) 191
7.6.3 初級繞組峰值電流與最小電感量 194
7.6.4 初級繞組電流有效值 195
7.6.5 次級迴路電流 196
7.6.6 輸出濾波電容C的選擇與輸出電壓紋波 197
7.6.7 全電壓輸入PFC反激變換器設計實例 198
7.6.8 非全電壓輸入PFC反激變換器設計實例 202
7.6.9 基於FAN7930控制晶片的單管反激PFC變換器 204
7.6.10 APFC單管反激PFC變換器調試 208
第8章 正激變換器 209
8.1 正激變換器及其等效電路 209
8.2 正激變換器磁通復位方式概述 211
8.3 三繞組去磁復位正激變換器設計 211
8.3.1 三繞組去磁復位正激變換器波形 212
8.3.2 最惡劣條件 213
8.3.3 最大占空比Dmax的限制 213
8.3.4 在最小輸入電壓下確定變壓器匝比n 214
8.3.5 變壓器參數選擇 215
8.3.6 三繞組去磁復位正激變換器設計實例 218
8.4 二極體去磁雙管正激變換器 226
8.4.1 工作原理 226
8.4.2 優缺點及設計 227
8.4.3 驅動電路設計 228
8.5 RCD吸收正激變換器 230
8.5.1 激磁電流處於CCM模式 231
8.5.2 激磁電流處於DCM模式 233
8.6 諧振去磁正激變換器 234
8.6.1 工作原理 234
8.6.2 套用場合及設計 237
8.7 常見去磁復位方式特性比較 238
第9章 橋式變換器 239
9.1 半橋變換器 239
9.1.1 原理電路 239
9.1.2 初級側實際電路 240
9.1.3 次級等效電路 241
9.1.4 半橋變換器磁芯 242
9.1.5 隔直電容C3參數計算舉例 244
9.2 全橋變換器 245
9.3 半橋LLC諧振變換器結構及工作原理 247
9.3.1 方波發生器 248
9.3.2 輸出整流濾波網路 249
9.3.3 諧振網路 250
9.3.4 半橋LLC諧振變換器等效電路 250
9.3.5 半橋LLC諧振變換器工作區特徵 258
9.3.6 工作區選擇策略 261
9.3.7 半橋LLC諧振變換器穩壓原理 263
9.3.8 半橋LLC諧振變換器其他等效拓撲結構 263
9.3.9 半橋LLC諧振變換器控制晶片簡介 264
9.4 半橋LLC諧振變換器設計 264
9.4.1 電感比m及品質因素Q的選擇 265
9.4.2 允許開關頻率fSW 跨越ZVS區域1及ZVS區域2 266
9.4.3 開關頻率fSW≤fR (僅在ZVS區域1) 270
9.4.4 開關頻率fSW≥fR (僅在ZVS區域2) 271
9.4.5 變壓器製作 272
第10章 同步整流技術 275
10.1 同步整流原理 276
10.2 同步整流MOS管驅動方式 277
10.2.1 電壓自驅動 279
10.2.2 電流自驅動 283
10.2.3 集成控制IC驅動 284
第11章 環路穩定性設計 287
11.1 概述 287
11.1.1 二連線埠網路傳遞函式 287
11.1.2 極點、零點概念及性質 289
11.1.3 閉環控制及傳遞函式 291
11.2 開關電源閉環控制 292
11.2.1 閉環控制系統概述 292
11.2.2 理想環路頻率特性曲線 293
11.2.3 輸出取樣點的選擇 294
11.3 反饋補償網路傳遞函式 294
11.3.1 Ⅰ型反饋補償網路傳遞函式 295
11.3.2 PI型反饋補償網路傳遞函式 296
11.3.3 Ⅱ型反饋補償網路傳遞函式 297
11.3.4 Ⅲ型反饋補償網路傳遞函式 298
11.3.5 基於跨導型運算放大器反饋補償網路的傳遞函式 300
11.4 TL431補償網路傳遞函式 302
11.4.1 基於Ⅱ型的補償網路 302
11.4.2 基於PI型補償網路 304
11.5 反激變換器環路設計 306
11.5.1 CCM模式下反激變換器從控制到輸出的傳遞函式 306
11.5.2 CCM模式下反激變換器反饋補償網路設計 307
11.5.3 BCM及DCM模式下反激變換器從控制到輸出的傳遞函式 309
11.6 正激變換器環路設計 312
11.7 BCM模式APFC變換器環路設計 312
第12章 開關電源PCB設計 314
12.1 與PCB設計相關的安規知識 314
12.1.1 電器產品防電擊設計分類 315
12.1.2 電源產品執行的安規標準 315
12.1.3 絕緣等級與安全間距 316
12.2 PCB設計規則 317
12.2.1 PCB板工藝規劃 319
12.2.2 AC輸入濾波電路布局布線原則 320
12.2.3 關鍵迴路與節點走線 322
12.2.4 地線處理 327
12.3 PCB散熱設計 327
第13章 開關電源重要元器件及材料簡介 329
13.1 功率二極體 329
13.1.1 功率二極體主要參數 329
13.1.2 整流二極體開關特性及其損耗 330
13.1.3 幾種常見整流二極體特性 332
13.2 功率MOS管 333
13.2.1 功率MOS管主要參數 333
13.2.2 功率MOS管開關特性及其損耗 335
13.3 常用電容 338
13.3.1 電解電容 338
13.3.2 瓷片電容 342
13.3.4 有機薄膜電容 343
13.4 漆包線參數 343
參考文獻 348
