開關電源設計與優化（第二版）

目 錄
第1章 穩壓器的基準 1
第1部分 概述 1
平衡性設計 1
創造性經驗 2
靜態和動態調節 3
第2部分 認知電壓基準 5
一般電壓基準 5
帶隙基準 7
更好地理解BJT（PTAT和CTAT） 7
帶隙基準原理 14
第3部分 分壓器的設計 24
輸出誤差來源：分壓器輸入偏置電流 24
輸出誤差來源：分壓電阻公差 27
輸出誤差來源：商用電阻值 28
分壓器：由誤差放大器的類型帶來的限制 31
分壓器：正確的PCB佈局 33
第2章 DC-DC變換器：拓撲及組態 35
第1部分 開關電源變換器原理介紹 35
註意隱藏的細節 35
什麽是“地”? 35
三種基本開關拓撲 37
為什麽可以升壓/降壓？ 37
電流紋波率 40
輸入、輸出電流平均值 44
三種拓撲的能量關系 44
變換器中的損耗關系 48
非理想情況的占空比方程 51
電源變換器的功率縮放比例指南 54
第2部分 基本波形分析與應力計算 55
分段線性波形的一般分析方法 55
其他類型波形的有效值與平均值 60
電容的電流波形 60
寬輸入電壓與設計切入點 63
r如何隨輸入電壓和負載變化 65
電容有效值如何隨輸入電壓和負載變化 66
應力曲線圖 66
邊界（臨界）導電 68
使用太大的電感（小r） 69
平頂近似 70
第3部分 拓撲形態學 72
簡介 72
N型與P型開關管 72
LSD單元 72
開關穩壓器拓撲的組態 74
開關IC的基本類型 76
反激、Buck-Boost和Boost變換器IC的比較 77
電感選擇的標準 79
Buck和Buck-Boost（類型1和類型2）IC的其他可能的應用 80
實際例子 82
差分電壓採樣 87
一些拓撲的細微差別 88
第3章 現代變換器、復合拓撲和相關技術 90
第1部分 基本拓撲 90
同步DC-DC變換器 90
同步Buck工作模式 91
FAN5340 93
另一種可能直通的情況：CdV/dt引起的導通 94
Buck中的升壓和Boost中的降壓 94
Buck變換器的並聯和交錯 99
第2部分 復合拓撲 103
第4章 不連續導電模式的理解與應用 109
引言 109
如何計算DCM占空比方程 113
相關文獻中DCM的處理 114
基於r最優設置的DCM簡化方法 116
列表DCM的應力方程 116
繪制從CCM至DCM的關鍵應力 117
Buck-Boost的臨界輸入電壓 121
通用輸入反激變換器的研究 123
通用輸入反激變換器的過載裕量 126
Buck的CCM與DCM閉式方程的比較 127
Buck、Boost與Buck-Boost的DCM閉式方程 128
第5章 AC-DC功率變換的綜合前級設計 130
第1部分 無功率因子校正的前級電路 130
反激變換器及閉式方程 130
不同“電容量/瓦”的下垂曲線 133
不同的UVLO？ 133
正常工作時閉式方程迭代的切入點 134
通用輸入單端正激變換器（無功率因子校正） 136
編制的設計表 139
保持時間與電容器電流有效值要求的典型最小電容值（數值例子） 141
電容器電流有效值估算（高頻分量） 142
帶有無頻率相關ESR的輸入電容器的總電流有效值 143
帶有頻率相關ESR的輸入電容器的總電流有效值 144
EMI濾波器的效率 145
小功率正激變換器？ 145
第2部分 帶有功率因子校正的前級電路 146
PFC Boost的瞬時占空比 150
PFC Boost級電路保持時間的考慮 151
同步與反相同步技術 152
寬輸入範圍的反相同步 153
高頻與低頻有效值的計算 155
大電容的低頻分量有效值的快速估算 156
大電容的高頻分量有效值的快速估算 156
電容器選型與比較的數值表 156
PFC扼流圈的設計與PFC設計的表格 157
PFC實際設計的一些細節 160
第6章 AC-DC應用的拓撲：簡介 163
引言 163
第1部分 （簡單的）正激變換器 163
推輓（Push-Pull）的磁通平衡 169
半橋的磁通階梯效應 169
第2部分 （復雜的）反激變換器 170
集成功率（IP）開關 171
反激變換器的等效Buck-Boost模型 171
多路輸出反激變換器的處理 177
一次側漏電感問題 178
二次側漏電感問題 180
反激變換器優化及深入分析 182
RCD鉗位 185
損耗估算（圖形法） 189
註意正確計算開關管和採樣電阻的損耗 191
使用600V開關管的實際反激變換器的設計 193
較高的VOR如何影響輸出二極管額定值 193
脈沖跳躍和假負載 194
高輸入電壓時的過載保護（前饋） 196
第7章 功率變換中的磁學綜述 198
基本的磁學概念和定義（MKS單位） 198
電-磁類比 200
電感方程 201
電壓無關方程 201
電壓相關方程 203
磁學單位 207
磁動勢（mmf）方程 208
環型磁芯的有效面積和有效長度 209
E型磁芯的有效面積和有效長度 209
氣隙的影響 211
氣隙因子z 213
z的成因和意義 213
B與H的關系 216
帶氣隙E型磁芯 216
儲能考慮：如何改變實際的氣隙，達到最優 217
氣隙與磁芯中的能量 219
z的最優設計目標值 220
B-H曲線 221
精心設計原則有助於減小磁芯尺寸 222
更好地理解L 223
比例：電感和反激變換器變壓器之間的差異 224
“真正的”變壓器 224
邊緣磁通校正 229
邊緣磁通校正應用舉例 232
第8章 帶抽頭電感（基於自耦變壓器）的變換器 233
引言 233
帶抽頭電感的Buck拓撲 234
其他帶抽頭電感的電路和占空比 237
第9章 DC-DC變換器電感的選擇 239
引言 239
基礎知識 239
確定電流紋波率r 240
電感的映射 241
r和L的選擇 242
以電流來表示B 243
磁學中的錯誤直覺 244
固定頻率時調整幾何尺寸來優化磁芯損耗 244
頻率改變時通過調整幾何形狀優化磁芯損耗 246
實際應用的電感評估 248
第10章 反激變換器變壓器設計基礎 253
電壓相關方程：一種實用形式 253
無氣隙磁芯中與磁芯體積相關的儲能 253
帶氣隙磁芯的一般能量關系 254
AL與?的一般關系 254
VOR=100V的通用輸入反激變換器的占空比 254
面積×匝數規則 255
實例（第1部分） 255
優化的一些細節 258
用於反激變換器變壓器磁芯快速選擇的經驗法則 258
實例（第2部分） 259
電流極限對磁芯大小的影響 260
圓密耳（cmil） 262
導線的載流能力 264
集膚深度 264
圖形法和有用的諾謨圖 268
線規簡介 269
包覆線的直徑 269
SWG的比較 270
第11章 正激變換器磁設計基礎 272
引言 272
變壓器與扼流圈（電感器）的比較 272
匝數比計算（最小輸入電壓下） 274
觀測總結 274
鄰近效應 276
再談集膚深度 276
等效銅箔轉換 283
幾個對正激變換器磁芯快速選擇有用的方程 284
排線與絞線 285
磁芯損耗計算 286
第12章 正激與反激變換器：詳細設計步驟與對比 289
引言 289
窗口面積和麵積乘積的精細分類（一些新術語） 291
功率和麵積乘積的關系 292
電流密度和基於D的變換 294
優化電流密度 294
行業推薦的正激變換器的面積乘積公式 297
繪制正激變換器的行業推薦方程 300
對稱變換器的面積乘積 303
安全變壓器功率傳輸能力的更準確估算 305
一次繞組匝數 307
設計實例：反激變換器與正激變換器的替代設計方法 312
反激變換器的行業電流密度指標 330
正激變換器和反激變換器儲能需求的對比 331
第13章 PCB與熱管理 333
第1部分 PCB與佈局 333
引言 333
走線分析 333
註意事項 336
銅走線尺寸 337
佈置反饋走線 339
佈置電流採樣走線 339
接地層 339
一些製造問題 341
PCB製造商和Gerber文件 343
第2部分 熱管理 344
引言 344
熱測量和效率估計 344
自然對流方程 346
以往的定義 346
有效方程 347
方程的處理 348
兩個標準方程的比較 349
熱力學理論里的h 349
使用標準方程的表格 350
PCB散熱 353
高空自然對流 354
強迫風冷 354
輻射傳熱 356
其他問題 356
第14章 閉環系統：反饋與穩定 358
基本術語 358
第1部分 電流模式控制器的穩定 362
背景 362
電壓模式控制的輸入電壓前饋（源於CMC） 367
需要的斜率補償量 368
避免次諧波不穩定性的一般規則 371
第2部分 回溯：電壓模式、電流模式到滯環 372
引言 372
被控對象傳遞函數 373
CMC與VMC對比的結論 385
滯環控制：能量的按需傳輸 385
第3部分 設計例子：VMC與CMC非隔離變換器，以及
基於TL431+光耦的隔離反激變換器 390
VMC與CMC設計例子，應用2型和3型誤差放大器或跨導放大器 390
應用TL431和光耦的設計例子 394
第15章 實際EMI濾波器的設計 403
CISPR 22標準 403
LISN 403
傅里葉級數 404
梯形波 405
實際差模濾波器的設計 406
實際共模濾波器的設計 407
第16章 反激和正激變換器的復位技術 410
第1部分 反激變換器變壓器（漏感）的復位 410
齊納（Zener）鉗位 410
RCD鉗位 412
無損緩沖電路 413
第2部分 正激變換器變壓器（磁化電感）的復位 414
引言 414
復位繞組 415
有源鉗位復位 418
分析與結論（圖16.9～圖16.11） 423
高壓側或低壓側有源鉗位哪種更優 426
第17章 可靠性、測試及安全問題 428
引言 428
可靠性定義 428
卡方分佈 429
責任失效 430
保修費用 431
可靠性計算 432
電源的測試與認證 433
安全問題 434
工作電壓的計算 435
電容器壽命的估算 438
總Y電容的安全限制 443
安全與便宜的齊納二極管 444
第18章 可用的功率：揭秘Buck變換器的效率 446
第1部分 損耗分解與分析 446
引言 446
每次僅分析一種損耗：瞭解每種損耗 447
累積損耗：逐個添加各種損耗 453
潛在的Buck電子表格 455
第2部分 預測效率和逆向工程技巧 456
第19章 軟開關與LLC變換器設計 462
第1部分 從傳統PWM功率變換到諧振拓撲過渡概述 462
引言 462
軟開關與硬開關 463
兩個關鍵問題（指導原則） 465
同步Buck變換器的開關損耗及經驗 466
用元件搭建基本諧振電路 469
第2部分 構建變換器的諧振腔電路 474
串聯諧振腔電路 474
為構建LLC變換器引入LLC腔 477
分析LLC腔電路的增益與相位關系 482
LLC腔中的兩個諧振 485
第3部分 通過變比來推導策略 487
設計驗證步驟1：“AC-AC變換器” 489
降低最大功率以增加輸入範圍 491
設計驗證步驟2：帶二極管和變壓器的AC-DC變換器（仍無輸出電容器） 494
設計驗證步驟3：帶二極管和變壓器的DC-DC變換器（也帶輸出電容器） 496
第4部分 設計基於LLC的實際供電裝置 498
第5部分 通過模擬驗證PD的理論設計 501
第6部分 電感比率（利與弊） 505
第7部分 半橋LLC變換器及已解決實例 508
效率估算 511
最大頻率分佈為1∶3.16的LLC選擇的求解實例 511
最終選擇 512
備選LLC基本電路 513
最大頻率分佈為1∶2的LLC選擇的求解實例 513
最終選擇 515
第20章 實用電路設計技巧 516
引言 516
兩個3844芯片的同步 516
一種自振盪低成本備用/輔助電源 517
具有電池充電功能的電源適配器 518
整流橋的並聯 519
自備式浪涌保護電路 519
低成本的電源良好指示電路 520
一種過流保護電路 520
另一種過流保護電路 520
給384x系列芯片增加過溫保護電路 521
PFC的開通緩沖電路 521
一種獨特的主動式浪涌保護電路 522
384x控制器的浮地驅動技術 523
浮地式Buck拓撲 523
對稱Boost拓撲 524
從變換器 524
帶可調輔助輸出的Boost前置穩壓器 525
附錄 設計表和輔助工具，以及元件常見問題解答 527
設計表和輔助工具 527
元件常見問題解答 533