開關(guān)電源設(shè)計（第三版）

第1部分 拓 撲
第1章　基本拓撲 2
1.1　線性穩(wěn)壓器和Buck、Boost及反相開關(guān)穩(wěn)壓器簡介 2
1.2　線性穩(wěn)壓器—耗能型穩(wěn)壓器 2
1.2.1　基本工作原理 2
1.2.2　線性穩(wěn)壓器的缺點 3
1.2.3　串聯(lián)晶體管的功率損耗 4
1.2.4　線性穩(wěn)壓器的效率與輸出電壓的關(guān)系 4
1.2.5　串聯(lián)PNP型晶體管的低功耗線性穩(wěn)壓器 6
1.3　開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲 6
1.3.1　Buck開關(guān)穩(wěn)壓器 6
1.3.2　Buck穩(wěn)壓器的主要電流波形 8
1.3.3　Buck穩(wěn)壓器的效率 9
1.3.4　Buck穩(wěn)壓器的效率（考慮交流開關(guān)損耗） 10
1.3.5　理想開關(guān)頻率的選擇 12
1.3.6　設(shè)計例子 13
1.3.7　輸出電容 17
1.3.8　基于Buck穩(wěn)壓器的隔離半穩(wěn)壓輸出 18
1.4　Boost開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲 19
1.4.1　基本工作原理 19
1.4.2　Boost穩(wěn)壓器的不連續(xù)導電模式 20
1.4.3　Boost穩(wěn)壓器的連續(xù)導電模式 22
1.4.4　不連續(xù)導電模式的Boost穩(wěn)壓器的設(shè)計 23
1.4.5　Boost穩(wěn)壓器與反激變換器的關(guān)系 25
1.5　Buck-Boost穩(wěn)壓器 25
1.5.1　基本工作原理 25
1.5.2　Buck-Boost穩(wěn)壓器設(shè)計 26
參考文獻 27
第2章　推挽和正激變換器拓撲 28
2.1　簡介 28
2.2　推挽拓撲 28
2.2.1　基本工作原理（主/輔輸出結(jié)構(gòu)） 28
2.2.2　輔輸出的輸入-負載調(diào)整率 30
2.2.3　輔輸出電壓偏差 31
2.2.4　主輸出電感的最小電流限制 31
2.2.5　推挽拓撲中的偏磁（階梯飽和現(xiàn)象） 31
2.2.6　偏磁的表現(xiàn) 33
2.2.7　偏磁的測試 35
2.2.8　偏磁的解決方法 35
2.2.9　電力變壓器設(shè)計 37
2.2.10　一次側(cè)、二次側(cè)峰值電流及有效值電流 40
2.2.11　開關(guān)管的電壓應(yīng)力及漏感尖峰 43
2.2.12　電力晶體管的損耗 43
2.2.13　推挽拓撲輸出功率及輸入電壓的限制 45
2.2.14　輸出濾波器的設(shè)計 46
2.3　正激變換器拓撲 48
2.3.1　基本工作原理 48
2.3.2　輸出/輸入電壓與導通時間和匝比的設(shè)計關(guān)系 51
2.3.3　輔輸出電壓 51
2.3.4　二次側(cè)負載、續(xù)流二極管及電感的電流 52
2.3.5　一次側(cè)電流、輸出功率及輸入電壓之間的關(guān)系 52
2.3.6　開關(guān)管最大截止電壓應(yīng)力 53
2.3.7　實際輸入電壓和輸出功率限制 53
2.3.8　一次繞組和復位繞組匝數(shù)不相等的正激變換器 54
2.3.9　正激變換器電磁理論 56
2.3.10　電力變壓器的設(shè)計 58
2.3.11　輸出濾波器的設(shè)計 60
2.4　雙端正激變換器拓撲 60
2.4.1　基本工作原理 60
2.4.2　設(shè)計原則及變壓器的設(shè)計 62
2.5　交錯正激變換器拓撲 63
2.5.1　基本工作原理、優(yōu)缺點和輸出功率限制 63
2.5.2　變壓器的設(shè)計 64
2.5.3　輸出濾波器的設(shè)計 65
參考文獻 65
第3章　半橋和全橋變換器拓撲 66
3.1　簡介 66
3.2　半橋變換器拓撲 66
3.2.1　基本工作原理 66
3.2.2　半橋變換器磁設(shè)計 67
3.2.3　輸出濾波器的設(shè)計 69
3.2.4　防止偏磁的隔直電容的選擇 69
3.2.5　半橋變換器的漏感問題 70
3.2.6　半橋變換器與雙端正激變換器的比較 70
3.2.7　半橋變換器實際輸出功率的限制 71
3.3　全橋變換器拓撲 71
3.3.1　基本工作原理 71
3.3.2　全橋變換器磁設(shè)計 73
3.3.3　輸出濾波器的計算 74
3.3.4　變壓器一次側(cè)隔直電容的選擇 74
第4章　反激變換器 75
4.1　簡介 77
4.2　反激變換器基本工作原理 77
4.3　反激變換器工作模式 77
4.4　不連續(xù)導電模式 78
4.4.1　輸入電壓、輸出電壓及導通時間與輸出負載的關(guān)系 79
4.4.2　不連續(xù)導電模式向連續(xù)導電模式的過渡 79
4.4.3　反激變換器連續(xù)導電模式的基本工作原理 81
4.5　設(shè)計原則和設(shè)計步驟 82
4.5.1　步驟1：確定一次側(cè)/二次側(cè)匝比 82
4.5.2　步驟2：保證磁芯不飽和且電路始終工作于不連續(xù)導電模式 83
4.5.3　步驟3：根據(jù)最小輸出電阻及直流輸入電壓調(diào)整一次側(cè)電感 83
4.5.4　步驟4：計算開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力和峰值電流 84
4.5.5　步驟5：計算一次側(cè)電流有效值和一次側(cè)導線尺寸 84
4.5.6　步驟6：二次側(cè)電流有效值和二次側(cè)導線尺寸 84
4.6　不連續(xù)導電模式下的反激變換器的設(shè)計實例 84
4.6.1　反激拓撲的電磁原理 86
4.6.2　鐵氧體磁芯加氣隙防止飽和 87
4.6.3　采用MPP磁芯防止飽和 88
4.6.4　反激變換器的缺點 92
4.7　AC 120V/220V輸入反激變換器 93
4.8　連續(xù)導電模式反激變換器的設(shè)計原則 95
4.8.1　輸出電壓和導通時間的關(guān)系 95
4.8.2　輸入、輸出電流與功率的關(guān)系 96
4.8.3　最小直流輸入時連續(xù)導電模式下的電流斜坡幅值 97
4.8.4　不連續(xù)與連續(xù)導電模式反激變換器的設(shè)計實例 97
4.9　交錯反激變換器 99
4.9.1　交錯反激變換器二次側(cè)電流的疊加 100
4.10　雙端（兩個開關(guān)管）不連續(xù)導電模式反激變換器 100
4.10.1　應(yīng)用場合 100
4.10.2　基本工作原理 100
4.10.3　雙端反激變換器的漏感效應(yīng) 101
參考文獻 102
第5章　電流模式和電流饋電拓撲 103
5.1　簡介 103
5.1.1　電流模式控制 103
5.1.2　電流饋電拓撲 103
5.2　電流模式控制 103
5.2.1　電流模式控制的優(yōu)點 104
5.3　電流模式和電壓模式控制電路的比較 105
5.3.1　電壓模式控制電路 105
5.3.2　電流模式控制電路 108
5.4　電流模式優(yōu)點詳解 110
5.4.1　輸入電網(wǎng)電壓的調(diào)整 110
5.4.2　防止偏磁 110
5.4.3　在小信號分析中可省去輸出電感簡化反饋環(huán)設(shè)計 111
5.4.4　負載電流調(diào)整原理 112
5.5　電流模式的缺點和存在的問題 113
5.5.1　恒定峰值電流與平均輸出電流的比例問題 113
5.5.2　對輸出電感電流擾動的響應(yīng) 114
5.5.3　電流模式的斜率補償 115
5.5.4　用正斜率電壓的斜率補償 116
5.5.5　斜率補償?shù)膶崿F(xiàn) 116
5.6　電壓饋電和電流饋電拓撲的特性比較 118
5.6.1　引言及定義 118
5.6.2　電壓饋電PWM全橋變換器的缺點 118
5.6.3　Buck電壓饋電全橋拓撲基本工作原理 121
5.6.4　Buck電壓饋電全橋拓撲的優(yōu)點 122
5.6.5　Buck電壓饋電PWM全橋電路的缺點 124
5.6.6　Buck電流饋電全橋拓撲的基本工作原理 124
5.6.7　反激電流饋電推挽拓撲（Weinberg電路） 134
參考文獻 147
第6章　其他拓撲 149
6.1　SCR諧振拓撲概述 149
6.2　SCR和ASCR的基本工作原理 150
6.3　利用諧振正弦陽極電流關(guān)斷SCR的單端諧振逆變器拓撲 154
6.4　SCR諧振橋式拓撲概述 156
6.4.1　串聯(lián)負載SCR半橋諧振變換器的基本工作原理 158
6.4.2　串聯(lián)負載SCR半橋諧振變換器的設(shè)計計算 159
6.4.3　串聯(lián)負載SCR半橋諧振變換器的設(shè)計實例 161
6.4.4　并聯(lián)負載SCR半橋諧振變換器 162
6.4.5　單端SCR諧振變換器拓撲的設(shè)計 162
6.5　Cuk變換器拓撲概述 166
6.5.1　Cuk變換器的基本工作原理 166
6.5.2　輸出和輸入電壓比與開關(guān)管Q1導通時間的關(guān)系 168
6.5.3　L1和L2的電流變化率 168
6.5.4　消除輸入電流紋波的措施 169
6.5.5　Cuk變換器的隔離輸出 169
6.6　小功率輔助電源拓撲概述 170
6.6.1　輔助電源的接地問題 170
6.6.2　可供選擇的輔助電源 171
6.6.3　輔助電源的典型電路 171
6.6.4　Royer振蕩器輔助電源的基本工作原理 174
6.6.5　作為輔助電源的簡單反激變換器 182
6.6.6　作為輔助電源的Buck穩(wěn)壓器（輸出帶直流隔離） 185
參考文獻 185
第2部分 磁路與電路設(shè)計
第7章　變壓器和磁性元件設(shè)計 187
7.1　簡介 187
7.2　變壓器磁芯材料與幾何結(jié)構(gòu)、峰值磁感應(yīng)強度的選擇 188
7.2.1　幾種常用鐵氧體材料的磁芯損耗與頻率和磁感應(yīng)強度的關(guān)系 188
7.2.2　鐵氧體磁芯的幾何尺寸 191
7.2.3　峰值磁感應(yīng)強度的選擇 193
7.3　磁芯最大輸出功率、峰值磁感應(yīng)強度、磁芯截面積與骨架窗口面積及繞組
電流密度的選擇 194
7.3.1　變換器拓撲輸出功率公式的推導 194
7.3.2　推挽變換器輸出功率公式的推導 196
7.3.3　半橋拓撲輸出功率公式的推導 200
7.3.4　全橋拓撲輸出功率公式的推導 201
7.3.5　以查表的方式確定磁芯和工作頻率 201
7.4　變壓器溫升的計算 208
7.5　變壓器中的銅損 211
7.5.1　簡介 211
7.5.2　集膚效應(yīng) 211
7.5.3　集膚效應(yīng)—定量分析 212
7.5.4　不同規(guī)格的導線直徑在不同頻率下的交/直流阻抗比 214
7.5.5　矩形波電流的集膚效應(yīng) 215
7.5.6　鄰近效應(yīng) 217
7.6　利用面積乘積（AP）法進行電感及磁性元件設(shè)計簡介 223
7.6.1　AP法的優(yōu)點 224
7.6.2　電感器設(shè)計 224
7.6.3　信號級小功率電感 225
7.6.4　輸入濾波電感 225
7.6.5　設(shè)計舉例：工頻共模輸入濾波電感 227
7.6.6　差模輸入濾波電感 232
7.7　磁學：扼流圈簡介—直流偏置電流很大的電感 236
7.7.1　公式、單位和圖表 237
7.7.2　有直流偏置電流的磁滯回線特征 237
7.7.3　磁場強度Hdc 238
7.7.4　增加扼流圈電感或者額定直流偏置量的方法 238
7.7.5　磁感應(yīng)強度變化量?B 239
7.7.6　氣隙的作用 241
7.7.7　溫升 242
7.8　磁設(shè)計：扼流圈磁芯材料簡介 242
7.8.1　適用于低交流應(yīng)力場合的扼流圈材料 242
7.8.2　適用于高交流應(yīng)力場合的扼流圈材料 243
7.8.3　適用于中等范圍的扼流圈材料 243
7.8.4　磁芯材料飽和特性 243
7.8.5　磁芯材料損耗特性 244
7.8.6　材料飽和特性 245
7.8.7　材料磁導率參數(shù) 245
7.8.8　材料成本 246
7.8.9　確定最佳的磁芯尺寸和形狀 246
7.8.10　磁芯材料選擇總結(jié) 247
7.9　磁學：扼流圈設(shè)計例子 247
7.9.1　扼流圈設(shè)計例子：加了氣隙