《精通開關電源設計(第2版)》基于作者多年從事開關電源設計的經(jīng)驗，從分析開關變換器的最基本器件——電感的原理入手，由淺入深系統(tǒng)地論述了寬輸入電壓DC-DC變換器(含離線式、反激電源)及其磁性元件設計、功率器件選擇和損耗計算、印制電路板布線技術、三種主要拓撲在電壓/電流模式下的控制環(huán)穩(wěn)定性，以及開關電源電磁干擾(EMI)理論和實踐等。書中還解答了變換器拓撲的常見問題，討論了開關電源設計實例、工業(yè)經(jīng)驗和難點對策等。
《精通開關電源設計(第2版)》不僅可作為各層次開關電源工程技術人員的教材，也可供開關電源設計人員和高校相關專業(yè)師生參考。
隨著便攜式設備迅速發(fā)展，開關電源已成為電力電子學最重要的應用領域。然而，開關電源的原理看似簡單，但實際上想要設計一個好的電源，要涉及半導體物理、控制理論、磁學等眾多學科，對設計者的專業(yè)要求很高，因此許多初學者歷經(jīng)艱苦，仍然不得其門而入。本書凝聚了作者豐富的開關電源工程設計經(jīng)驗和獨到的見解，自上一版起，就已成為業(yè)界公認的經(jīng)典著作。作者由開關電源中最重要也最難理解的元件電感入手，系統(tǒng)地介紹了三種基本拓撲演變、磁性元件設計、功率器件選擇、功率器件損耗、印制電路板設計、反饋環(huán)路設計、前級電路設計以及開關電源的電磁干擾問題等內容，并結合設計實例做了深入分析。新版增加了八個全新章節(jié)，保留的舊版內容也添加了更多詳細設計案例和相關技術，不但適合初學者入門，也適合有一定技術積累的專業(yè)人士進階。
Sanjaya Maniktala 世界知名開關電源專家，曾在飛思卡爾、西門子和美國國家半導體等著名公司擔任高級工程領導職務，擁有“浮動降壓調整器拓撲”等多項專利。他還是EDN、Electronic Design等雜志的專欄作家。
王健強 哈爾濱工業(yè)大學電力電子與電力傳動學科畢業(yè)，工學博士。現(xiàn)任北京交通大學電氣工程學院副教授，中國電工技術學會無線電能傳輸專委會委員�，F(xiàn)主要從事新能源發(fā)電和交通領域無線電能傳輸技術應用研究。曾主持過國家863子項目“節(jié)能與新能源汽車”及北京市科委項目“大容量鋰離子電池化成設備研發(fā)”等課題。合譯過《風力發(fā)電系統(tǒng)》一書。
目 錄
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 目 錄
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 半導體開關器件并非理想器件 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(shù)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 能量守恒定律 14
1.3.4 充電階段和感應電壓概念 15
1.3.5 串聯(lián)電阻對時間常數(shù)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(xù)流電流 20
1.3.11 電流必須連續(xù)，但其變化率未必 20
1.3.12 電壓反向現(xiàn)象 20
1.3.13 功率變換中的穩(wěn)態(tài)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(xù)流控制感應電壓尖峰 27
1.4.2 達到穩(wěn)態(tài)并獲得有用能量 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 為什么僅有三種基本拓撲 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(shù) 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r 47
2.7 r與電感值的關系 47
2.8 r的最優(yōu)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 電流限制的范圍和容限 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(xù)導通模式的考慮 57
2.14.3 使用低等效串聯(lián)電阻的電容時，r值應設為大于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(xù)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(shù) 67
2.16.1 磁場紋波系數(shù) 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 最大磁芯損耗 75
2.18.2 最大二極管損耗 76
2.18.3 一般二極管選擇步驟 76
2.18.4 最大開關損耗 77
2.18.5 一般開關管選擇步驟 78
2.18.6 最大輸出電容損耗 78
2.18.7 一般輸出電容選擇步驟 78
2.18.8 最大輸入電容損耗 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(wěn)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(guī)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 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：最優(yōu)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(jù)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(shù) 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(jié) 153
5.5 第5部分：更多AC-DC正激變換器變壓器設計細節(jié) 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(huán)境 166
6.3.2 電源中元器件的額定值和應力系數(shù) 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 最優(yōu)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 感性負載時用于開關損耗研究的MOSFET簡化模型 219
8.5 寄生電容在交流系統(tǒng)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(shù) 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(jù)MOSFET特性優(yōu)化驅動能力 235
第9章 探索新拓撲 237
9.1 第1部分：恒頻同步降壓拓撲 237
9.1.1 用場效應管(安全地)替代二極管 237
9.1.2 死區(qū)時間的產(chǎn)生 239
9.1.3 CdV/dt引起場效應管導通 239
9.1.4 體二極管續(xù)流 240
9.1.5 外部(并聯(lián))肖特基二極管 241
9.1.6 同步(互補)驅動 242
9.2 第2部分：恒頻同步升壓拓撲 242
9.3 第3部分：電流檢測的分類及其常規(guī)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(tài)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(tài) 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(huán)控制器 274
9.7.4 跨脈沖模式 277
9.7.5 實現(xiàn)正激變換器變壓器復位 278
第10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
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(jīng)驗方程 291
11.4 兩個標準經(jīng)驗方程對比 292
11.4.1 熱動力學理論中的h 293
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(huán)路分析及穩(wěn)定性 298
12.1 傳遞函數(shù)、時間常數(shù)和激勵函數(shù) 298
12.2 理解e并繪制對數(shù)坐標曲線 299
12.3 復數(shù)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 干擾及反饋的角色 304
12.8 RC濾波器的傳遞函數(shù)、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(shù)坐標系下的數(shù)學運算 310
12.11 后級LC濾波器的傳遞函數(shù) 310
12.12 無源濾波器傳遞函數(shù)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(huán)增益和開環(huán)增益 316
12.16 分壓器 318
12.17 脈寬調制器的傳遞函數(shù) 318
12.18 電壓(輸入)前饋 320
12.19 功率級傳遞函數(shù) 320
12.20 拓撲結構的被控對象傳遞函數(shù) 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(shù) 324
12.22 閉環(huán) 326
12.23 環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)及策略 328
12.24 繪制三種拓撲的開環(huán)增益 328
12.25 等效串聯(lián)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(wǎng)絡 333
12.28 優(yōu)化反饋環(huán)路 336
12.29 輸入紋波抑制 337
12.30 負載的暫態(tài)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：并聯(lián)、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 降壓變換器的并聯(lián)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(shù)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：并聯(lián)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(shù)據(jù)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(shù)校正 401
14.3.1 概述 401
14.3.2 如何使升壓拓撲呈現(xiàn)正弦波輸入電流 404
14.3.3 功率因數(shù)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(shù)校正級 414
14.3.6 功率因數(shù)校正級的實際設計問題 414
14.3.7 功率因數(shù)校正扼流圈設計準則 415
14.3.8 功率因數(shù)校正扼流圈的磁芯損耗 417
14.3.9 臨界升壓有源功率因數(shù)校正級 418
第15章 電磁干擾標準及測量 419
15.1 第1部分：概述 419
15.1.1 標準 419
15.1.2 電磁干擾限制 420
15.1.3 一些與成本相關的經(jīng)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(wěn)定網(wǎng)絡測量傳導電磁干擾 430
15.2.3 用簡單的數(shù)學方法估算最大傳導噪聲電流 432
15.2.4 用于傳導電磁干擾診斷的共模和差模分量 432
15.2.5 用于輻射電磁干擾診斷的近場嗅探器 436
第16章 實用電源電磁干擾濾波器及噪聲源 437
16.1 第1部分：實用電源濾波器 437
16.1.1 電磁干擾濾波器設計中的基本安全問題 437
16.1.2 四種常用的涂層工藝及其優(yōu)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(yè)經(jīng)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 電路板電磁干擾治理及輸入濾波器穩(wěn)定性 453
17.1 第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(wěn)定性 461
第18章 電磁難題背后的數(shù)學 466
18.1 電源中的傅里葉級數(shù) 466
18.2 方波 466
18.3 辛克函數(shù) 468
18.4 傅里葉級數(shù)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(lián)電阻估計 473
18.5.2 高電網(wǎng)電壓下的差模濾波器計算 474
18.5.3 低電網(wǎng)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(huán)設計 496
附錄 500
索引 507
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