●章開關功率變換原理1
1.1引言1
1.2概述和基本術語2
1.2.1效率2
1.2.2線性調整器4
1.2.3利用開關器件提高效率5
1.2.4半導體開關器件的基本類型6
1.2.5半導體開關器件並非理想器件6
1.2.6利件提高效率7
1.2.7早期RC型開關調整器8
1.2.8LC型開關調整器8
1.2.9寄生參數的影響9
1.2.10高頻開關時的問題10
1.2.11可靠性、使用壽命和熱管理11
1.2.12應力降額12
1.2.13技術進展12
1.3電感13
1.3.1電容、電感和電壓、電流13
1.3.2電感和電容的充放電電路13
1.3.3能量守恆定律14
1.3.4充電階段和感應電壓概念15
1.3.5串聯電阻對時間常數的影響16
1.3.6R=0時的電感充電電路和電感方程17
1.3.7對偶原理18
1.3.8電容方程19
1.3.9電感放電階段19
1.3.10反激能量和續流電流20
1.3.11電流必須連續，但其變化率未必20
1.3.12電壓反向現像20
1.3.13功率變換中的穩態及其不同工作模式21
1.3.14伏秒定律、電感復位和變換器的占空比24
1.3.15半導體開關器件的使用和保護25
1.4開關拓撲的演變27
1.4.1通過二極管續流控制感應電壓尖峰27
1.4.2達到穩態並獲得有用能量28
1.4.3升降壓變換器29
1.4.4電路的地參考點30
1.4.5升降壓變換器結構30
1.4.6交換結點31
1.4.7升降壓變換器分析31
1.4.8升降壓變換器特性32
1.4.9為什麼僅有三種基本拓撲33
1.4.10升壓拓撲34
1.4.11降壓拓撲37
1.4.12不錯變換器設計38
第2章DC-DC變換器及件設計39
2.1直流傳遞函數40
2.2電感電流波形中的直流分量和交流紋波40
2.3交流電流、直流電流和峰值電流的定義42
2.4理解交流、直流和峰值電流44
2.5定義“最惡劣”輸入電壓45
2.6電流紋波率r47
2.7r與電感值的關繫47
2.8r的最優值48
2.9是電感尺寸，還是電感值49
2.10負載電流對電感值和電感尺寸的影響50
2.11供應商如何標定成品電感的額定電流，以及如何選擇電感50
2.12給定應用中需要考慮的電感電流額定值51
2.13電流限制的範圍和容限53
2.14實例(1)55
2.14.1設置r值時，對電流限制的考慮56
2.14.2r值固定時，對連續導通模式的考慮57
2.14.3使用低等效串聯電阻的電容時，r值應設為大於0.458
2.14.4設置r值以避免器件特殊性帶來的問題59
2.14.5設置r值以避免次諧波振蕩60
2.14.6使用L×I和負載縮放法快速選擇電感63
2.15實例(2、3和4)63
2.15.1強迫連續導通模式下的電流紋波率r64
2.15.2基本磁定義65
2.16實例(5)不增加匝數67
2.16.1磁場紋波繫數68
2.16.2用伏秒積來分析電壓型方程(MKS單位制)68
2.16.3CGS單位制68
2.16.4用伏秒積來分析電壓型方程(CGS單位制)69
2.16.5磁芯損耗69
2.17實例(6)特定應用中成品電感的特性70
2.17.1評估需求70
2.17.2電流紋波率72
2.17.3峰值電流72
2.17.4磁通密度73
2.17.5銅損73
2.17.6磁芯損耗74
2.17.7DC-DC變換器設計件74
2.17.8溫升74
2.18其他極限應力計算及其選擇標準75
2.18.1優選磁芯損耗75
2.18.2優選二極管損耗76
2.18.3一般二極管選擇步驟76
2.18.4優選開關損耗77
2.18.5一般開關管選擇步驟78
2.18.6優選輸出電容損耗78
2.18.7一般輸出電容選擇步驟78
2.18.8優選輸入電容損耗79
2.18.9一般輸入電容選擇步驟80
第3章離線式變換器及件設計81
3.1反激變換器件81
3.1.1變壓器繞組的極性81
3.1.2反激變換器的變壓器功能及其占空比83
3.1.3等效升降壓變換器模型85
3.1.4反激變換器的電流紋波率86
3.1.5漏感87
3.1.6穩壓管鉗位損耗87
3.1.7副邊側漏感也影響原邊側87
3.1.8測量有效的原邊側漏感88
3.1.9實例(7)反激變壓器設計88
3.1.10選擇線規和銅箔厚度93
3.2正激變換器件96
3.2.1占空比96
3.2.2最惡劣輸入電壓98
3.2.3利用窗口面積99
3.2.4磁芯尺寸與其功率吞吐量的關繫100
3.2.5實例(8)正激變壓器設計101
第4章拓撲的常見問題和解答113
第5章不錯磁技術：最優磁芯選擇128
5.1部分：能量傳輸原理128
5.1.1拓撲概述128
5.1.2能量傳輸圖133
5.1.3峰值儲能要求138
5.1.4根據預期電流紋波計算電感值141
5.2第2部分：能量與磁芯尺寸143
5.2.1磁路和有氣隙磁芯的有效磁路長度143
5.2.2有氣隙磁芯的儲能和z因數145
5.2.3有氣隙磁芯的能量與磁芯體積的關繫148
5.3第3部分：從螺線管到E型磁芯151
5.4第4部分：更多AC-DC反激變壓器設計細節153
5.5第5部分：更多AC-DC正激變換器變壓器設計細節157
器件額定值、應力、可靠性和壽命163
6.1引言163
6.2應力和降額163
6.3部分：功率變換器的額定值和降額166
6.3.1工作環境166
6.3.2器件的額定值和應力繫數169
6.3.3機械應力177
6.4第2部分：平均無故障時間、失效率、保修成本和壽命177
6.4.1MTBF178
6.4.2保修成本180
6.4.3壽命期望和失效標準181
6.4.4可靠性預測方法182
6.4.5驗證可靠性測試183
6.4.6加速壽命試驗184
6.5第3部分：鋁電解電容壽命預測185
第7章最優功率器件選擇190
7.1概述190
7.2功率變換器的主要應力190
7.3不同拓撲的波形和峰值電壓應力191
7.4電流有效值和平均值的重要性195
7.5二極管、場效應管和電感的電流有效值和平均值計算196
7.6電容的電流有效值和平均值計算198
7.7蜘蛛狀應力曲線204
7.8降低AC-DC變換器應力206
7.9RCD鉗位和RCD吸收電路208
第8章導通損耗和開關損耗213
8.1阻性負載時的開關轉換過程213
8.2感性負載時的開關轉換過程216
8.3開關損耗和導通損耗218
8.4感性負載時用於開關損耗研究的MOSFET簡化模型219
8.5寄生電容在交流繫統中的表示方法220
8.6柵極閾值電壓221
8.7導通轉換過程222
8.8關斷轉換過程225
8.9柵荷繫數229
8.10實例230
8.10.1導通過程231
8.10.2關斷過程232
8.11開關拓撲的開關損耗分析233
8.12開關損耗對應的最惡劣輸入電壓233
8.13開關損耗隨寄生電容變化234
8.14根據MOSFET特性優化驅動能力235
第9章探索新拓撲237
9.1部分：恆頻同步降壓拓撲237
9.1.1用場效應管(安全地)替代二極管237
9.1.2死區時間的產生239
9.1.3CdV/dt引起場效應管導通239
9.1.4體二極管續流240
9.1.5外部(並聯)肖特基二極管241
9.1.6同步(互補)驅動242
9.2第2部分：恆頻同步升壓拓撲242
9.3第3部分：電流檢測的分類及其常規技術246
9.3.1直流電阻檢測247
9.3.2無感251
9.3.3無損下垂調整和動態電壓調整253
9.4第4部分：四管升降壓拓撲255
9.5第5部分：輔助端和復合拓撲259
9.5.1是升壓拓撲還是升降壓拓撲260
9.5.2理解Cuk、Sepic和Zeta拓撲261
9.5.3計算Cuk、Sepic和Zeta變換器的電流波形266
9.5.4Cuk、Sepic和Zeta拓撲的器件選擇標準267
9.6第6部分：結構和拓撲形態268
9.7第7部分：其他拓撲和技術272
9.7.1隱藏的輔助端和對稱性272
9.7.2多輸出和浮動降壓調整器273
9.7.3滯環控制器274
9.7.4跨脈衝模式277
9.7.5實現正激變換器變壓器復位278
0章印制電路板設計281
10.1引言281
10.2印制線分析281
10.3設計要點282
10.4熱管理問題286
1章熱管理288
11.1熱阻和電路板結構288
11.2歷史定義290
11.3自然對流的經驗方程291
11.4兩個標準經驗方程對比292
11.4.1熱動力學理論中的h293
11.4.2印制電路板銅面積估算294
11.5銅印制線尺寸294
11.6一定海撥高度上的自然對流295
11.7強制空氣冷卻295
11.8熱輻射傳遞296
11.9其他問題297
2章反饋環路分析及穩定性298
12.1傳遞函數、時間常數和激勵函數298
12.2理解e並繪制對數坐標曲線299
12.3復數表示法300
12.4重復和非重復激勵：時域和頻域分析301
12.5s平面302
12.6拉普拉斯變換302
12.7干擾及反饋的角色304
12.8RC濾波器的傳遞函數、增益和伯德圖306
12.9積分運算放大器(零極點濾波器)308
12.10對數坐標繫下的數學運算310
12.11後級LC濾波器的傳遞函數310
12.12無源濾波器傳遞函數小結313
12.13極點和零點314
12.14極點和零點的相互作用315
12.15閉環增益和開環增益316
12.16分壓器318
12.17脈寬調制器的傳遞函數318
12.18電壓(輸入)前饋320
12.19功率級傳遞函數320
12.20拓撲結構的被控對像傳遞函數321
12.20.1降壓變換器321
12.20.2升壓變換器322
12.20.3升降壓變換器323
12.21反饋部分的傳遞函數324
12.22閉環326
12.23環路穩定性判據及策略328
12.24繪制三種拓撲的開環增益328
12.25等效串聯電阻零點332
12.26高頻極點332
12.27設計3型運算放大器補償網絡333
12.28優化反饋環路336
12.29輸入紋波抑制337
12.30負載的暫態響應338
12.311型和2型補償339
12.32跨導運算放大器補償340
12.33更簡單的跨導運算放大器補償343
12.34電流模式控制補償344
3章不錯命題：並聯、交錯和負載均流352
13.1部分：變換器的電壓紋波352
13.2第2部分：功率變換器應力分配及降低357
13.2.1概述357
13.2.2功率變換器的功率縮放357
13.2.3降壓變換器的並聯和交錯360
13.2.4交錯式降壓變換器的應力有效值封閉形式方程364
13.2.5交錯式升壓功率因數校正變換器367
13.2.6交錯式多相變換器367
13.3第3部分：交錯式降壓變換器中的耦合電感367
13.4第4部分：並聯變換器的負載均流377
13.4.1被動式均流377
13.4.2主動式負載均流381
4章AC-DC電源前級電路383
14.1概述383
14.2部分：小功率應用384
14.2.1充電和放電階段384
14.2.2電容值增加，tCOND減小，導致電流有效值增加386
14.2.3電容電壓軌跡和基本階段387
14.2.4容忍AC-DC開關變換器中的高輸入電壓紋波387
14.2.5大容量電容電壓紋波對開關變換器設計的影響389
14.2.6常用反激電源失效保護方案389
14.2.7輸入電流波形和電容電流391
14.2.8如何正確說明μF/W392
14.2.9利用速查數據或“北極模擬法”的算例393
14.2.10電容公差和壽命394
14.2.11保持時間395
14.2.12兩種不同的滿足保持時間要求的反激變換器設計策略399
14.3第2部分：大功率應用和功率因數校正401
14.3.1概述401
14.3.2如何使升壓拓撲呈現正弦波輸入電流404
14.3.3功率因數校正級和脈寬調制級的反同步技術407
14.3.4采用或不采用反同步技術時電容電流有效值計算412
14.3.5交錯式升壓功率因數校正級414
14.3.6功率因數校正級的實際設計問題414
14.3.7功率因數校正扼流圈設計準則415
14.3.8功率因數校正扼流圈的磁芯損耗417
14.3.9臨界升壓有源功率因數校正級418
5章電磁干擾標準及測量419
15.1部分：概述419
15.1.1標準419
15.1.2電磁干擾限制420
15.1.3一些與成本相關的經驗法則422
15.1.4組件的電磁干擾423
15.1.5電磁波和電磁場423
15.1.6外推法426
15.1.7準峰值、平均值和峰值測量427
15.2第2部分：傳導電磁干擾測量428
15.2.1差模和共模噪聲428
15.2.2用線路阻抗穩定網絡測量傳導電磁干擾430
15.2.3用簡單的數學方法估算優選傳導噪聲電流432
15.2.4用於傳導電磁干擾診斷的共模和差模分量432
15.2.5用於輻射電磁干擾診斷的近場嗅探器436
6章實用電源電磁干擾濾波器及噪聲源437
16.1部分：實用電源濾波器437
16.1.1電磁干擾濾波器設計中的基本安全問題437
16.1.2四種常用的塗層工藝及其優缺點438
16.1.3總Y電容的安全限制439
16.1.4實用電源濾波器439
16.1.5等效差模和共模電路檢查及濾波器設計要點445
16.1.6接地扼流圈446
16.1.7電磁干擾濾波器設計方面一些值得注意的工業經驗447
16.2第2部分：開關電源中的差模和共模噪聲447
16.2.1差模噪聲的主要來源447
16.2.2共模噪聲的主要來源447
16.2.3機殼上安裝半導體器件450
16.2.4共模噪聲源450
16.2.5高性價比濾波器設計451
7章電路板電磁干擾治理及輸入濾波器穩定性453
17.1部分：減少電磁干擾的實用技術453
17.1.1覆地453
17.1.2變壓器在電磁干擾中的角色453
17.1.3二極管的電磁干擾458
17.1.4輻射測試會失敗嗎460
17.2第2部分：電源模塊及輸入不穩定性461
8章電磁難題背後的數學466
18.1電源中的傅裡葉級數466
18.2方波466
18.3辛克函數468
18.4傅裡葉級數的幅值包絡線470
18.5實用差模濾波器設計472
18.5.1等效串聯電阻估計473
18.5.2高電網電壓下的差模濾波器計算474
18.5.3低電網電壓下的差模濾波器計算475
18.5.4濾波器的安全裕量477
18.6實用共模濾波器設計477
9章算例481
19.1算例481
19.2部分：場效應管的選擇486
19.3第2部分：場效應管的導通損耗487
19.4第3部分：場效應管的開關損耗488
19.5第4部分：電感損耗491
19.6第5部分：輸入電容的選擇及其損耗493
19.7第6部分：輸出電容的選擇及其損耗493
19.8第7部分：總損耗和效率估計495
19.9第8部分：結溫估計495
19.10第9部分：控制環設計496
附錄500
索引507