精通開關電源設計, 2/e Switching Power Supplies A-Z, 2/e

Sanjaya Maniktala

开关电源专 家，曾在飞思卡尔、西门子和美国国家半导体等著 名公司担任高 级工程领导职务，拥有“浮动降压调整器拓扑”等多项专利。他还是EDN、Electronic Design等杂志的专栏作家。

 

王健强

哈尔滨工业大学电力电子与电力传动学科毕业，工学博士。现任北京交通大学电气工程学院副教授，中国电工技术学会无线电能传输专委会委员。现主要从事新能源发电和交通领域无线电能传输技术应用研究。曾主持过国家863子项目“节能与新能源汽车”及北京市科委项目“大容量锂离子电池化成设备研发”等课题。合译过《风力发电系统》一书。

第 1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　利用電抗元件提高效率　7

1.2.7　早期RC型開關調整器　8

1.2.8　LC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

1.3.6　R=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　電壓反向現象　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　為什麽僅有三種基本拓撲　33

1.4.10　升壓拓撲　34

1.4.11　降壓拓撲　37

1.4.12　高 級變換器設計　38

 

第 2章　DC-DC變換器及其磁性元件設計　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“**惡劣”輸入電壓　45

2.6　電流紋波率r　47

2.7　r與電感值的關系　47

2.8　r的**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

2.14.2　r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0.4　58

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值以避免次諧波振盪　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r　64

2.15.2　基本磁定義　65

2.16　實例(5)不增加匝數　67

2.16.1　磁場紋波系數　68

2.16.2　用伏秒積來分析電壓型方程(MKS單位制)　68

2.16.3　CGS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

2.17.7　DC-DC變換器設計和磁性元件　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　**大磁芯損耗　75

2.18.2　**大二極管損耗　76

2.18.3　一般二極管選擇步驟　76

2.18.4　**大開關損耗　77

2.18.5　一般開關管選擇步驟　78

2.18.6　**大輸出電容損耗　78

2.18.7　一般輸出電容選擇步驟　78

2.18.8　**大輸入電容損耗　79

2.18.9　一般輸入電容選擇步驟　80

 

第3章　離線式變換器及其磁性元件設計　81

3.1　反激變換器的磁性元件　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　正激變換器的磁性元件　96

3.2.1　占空比　96

3.2.2　**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系　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　高 級磁技術：**優磁芯選擇　128

5.1　第 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系　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

 

第6章　元器件額定值、應力、可靠性和壽命　163

6.1　引言　163

6.2　應力和降額　163

6.3　第 1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　電源中元器件的額定值和應力系數　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

6.4.1　MTBF　178

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　**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

7.9　RCD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　寄生電容在交流系統中的表示方法　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　柵荷系數　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**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　第 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

9.1.3　CdV/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　無感降壓單元　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

9.5.4　Cuk、Sepic和Zeta拓撲的應力和元器件選擇標準　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　跨脈沖模式　277

9.7.5　實現正激變換器變壓器復位　278

 

第 10章　印製電路板設計　281

10.1　引言　281

10.2　印製線分析　281

10.3　設計要點　282

10.4　熱管理問題　286

 

第 11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h　293

11.4.2　印製電路板銅面積估算　294

11.5　銅印製線尺寸　294

11.6　一定海拔高度上的自然對流　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

 

第 12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

12.5　s平面　302

12.6　拉普拉斯變換　302

12.7　乾擾及反饋的角色　304

12.8　RC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　對數坐標系下的數學運算　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　拓撲結構的被控對象傳遞函數　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

12.31　1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

 

第 13章　高 級命題：並聯、交錯和負載均流　352

13.1　第 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

 

第 14章　AC-DC電源前級電路　383

14.1　概述　383

14.2　第 1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/W　392

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　採用或不採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

 

第 15章　電磁乾擾標準及測量　419

15.1　第 1部分：概述　419

15.1.1　標準　419

15.1.2　電磁乾擾限制　420

15.1.3　一些與成本相關的經驗法則　422

15.1.4　組件的電磁乾擾　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：傳導電磁乾擾測量　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乾擾　430

15.2.3　用簡單的數學方法估算**大傳導噪聲電流　432

15.2.4　用於傳導電磁乾擾診斷的共模和差模分量　432

15.2.5　用於輻射電磁乾擾診斷的近場嗅探器　436

 

第 16章　實用電源電磁乾擾濾波器及噪聲源　437

16.1　第 1部分：實用電源濾波器　437

16.1.1　電磁乾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　電磁乾擾濾波器設計方面一些值得註意的工業經驗　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

 

第 17章　電路板電磁乾擾治理及輸入濾波器穩定性　453

17.1　第 1部分：減少電磁乾擾的實用技術　453

17.1.1　覆地　453

17.1.2　變壓器在電磁乾擾中的角色　453

17.1.3　二極管的電磁乾擾　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

 

第 18章　電磁難題背後的數學　466

18.1　電源中的傅里葉級數　466

18.2　方波　466

18.3　辛克函數　468

18.4　傅里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

 

第 19章　算例　481

19.1　算例　481

19.2　第 1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