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第1部分 拓扑2

第1章 基本拓扑2

1.1 引言——线性调整器和Buck、Boost及反相开关型调整器2

1.2 线性调整器——耗能型调整器2

1.2.1 基本工作原理2

1.2.2 线性调整器的缺点3

1.2.3 串接晶体管的功率损耗4

1.2.4 线性调整器的效率与输出电压的关系4

1.2.5 串接PNP型晶体管的低功耗线性调整器5

1.3 开关型调整器拓扑6

1.3.1 Buck开关型调整器6

1.3.2 Buck调整器的主要电流波形8

1.3.3 Buck调整器的效率9

1.3.4 Buck调整器的效率（考虑交流开关损耗）10

1.3.5 理想开关频率的选择12

1.3.6 设计例子12

1.3.7 输出电容17

1.3.8 有直流隔离调整输出的Buck调整器的电压调节18

1.4 Boost开关调整器拓扑19

1.4.1 基本原理19

1.4.2 Boost调整器的不连续工作模式20

1.4.3 Boost调整器的连续工作模式21

1.4.4 不连续工作模式的Boost调整器的设计22

1.4.5 Boost调整器与反激变换器的关系24

1.5 反极性Boost调整器24

1.5.1 基本工作原理24

1.5.2 反极性调整器设计关系26

参考文献26

第2章 推挽和正激变换器拓扑27

2.1 引言27

2.2 推挽拓扑27

2.2.1 基本原理（主/辅输出结构）27

2.2.2 辅输出的输入—负载调整率29

2.2.3 辅输出电压偏差29

2.2.4 主输出电感的最小电流限制30

2.2.5 推挽拓扑中的磁通不平衡（偏磁饱和现象）30

2.2.6 磁通不平衡的表现32

2.2.7 磁通不平衡的测试34

2.2.8 磁通不平衡的解决方法34

2.2.9 功率变压器设计36

2.2.10 初/次级绕组的峰值电流及有效值电流38

2.2.11 开关管的电压应力及漏感尖峰41

2.2.12 功率开关管损耗42

2.2.13 推挽拓扑输出功率及输入电压的限制44

2.2.14 输出滤波器的设计45

2.3 正激变换器拓扑46

2.3.1 基本工作原理46

2.3.2 输出/输入电压与导通时间和匝数比的设计关系49

2.3.3 辅输出电压49

2.3.4 次级负载、续流二极管及电感的电流50

2.3.5 初级电流、输出功率及输入电压之间的关系50

2.3.6 功率开关管最大关断电压应力51

2.3.7 实际输入电压和输出功率限制51

2.3.8 功率和复位绕组匝数不相等的正激变换器52

2.3.9 正激变换器电磁理论53

2.3.10 功率变压器的设计55

2.3.11 输出滤波器的设计57

2.4 双端正激变换器拓扑58

2.4.1 基本原理58

2.4.2 设计原则及变压器的设计60

2.5 交错正激变换器拓扑60

2.5.1 基本工作原理、优缺点和输出功率限制60

2.5.2 变压器的设计62

2.5.3 输出滤波器的设计62

参考文献62

第3章 半桥和全桥变换器拓扑63

3.1 引言63

3.2 半桥变换器拓扑63

3.2.1 工作原理63

3.2.2 半桥变换器磁设计64

3.2.3 输出滤波器的设计65

3.2.4 防止磁通不平衡的隔直电容的选择66

3.2.5 半桥变换器的漏感问题66

3.2.6 半桥变换器与双端正激变换器的比较67

3.2.7 半桥变换器实际输出功率的限制68

3.3 全桥变换器拓扑68

3.3.1 基本工作原理68

3.3.2 全桥变换器磁设计69

3.3.3 输出滤波器的计算70

3.3.4 变压器初级隔直电容的选择71

第4章 反激变换器72

4.1 引言74

4.2 反激变换器基本工作原理74

4.3 反激变换器工作模式74

4.4 断续工作模式75

4.4.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系76

4.4.2 断续模式向连续模式的过渡76

4.4.3 反激变换器连续模式的基本工作原理78

4.5 设计原则和设计步骤79

4.5.1 步骤1：确定初/次级匝数比79

4.5.2 步骤2：保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式79

4.5.3 步骤3：根据最小输出电阻及直流输入电压调整初级电感80

4.5.4 步骤4：计算开关管的最大电压应力和峰值电流80

4.5.5 步骤5：计算初级电流有效值和导线尺寸80

4.5.6 步骤6：次级电流有效值和导线尺寸81

4.6 断续模式下的反激变换器的设计实例81

4.6.1 反激拓扑的电磁原理83

4.6.2 铁氧体磁心加气隙防止饱和84

4.6.3 采用MPP磁心防止饱和84

4.6.4 反激变换器的缺点89

4.7 120V/220V交流输入反激变换器90

4.8 连续模式反激变换器的设计原则92

4.8.1 输出电压和导通时间的关系92

4.8.2 输入、输出电流与功率的关系93

4.8.3 最小直流输入时连续模式下的电流斜坡幅值93

4.8.4 断续与连续模式反激变换器的设计实例94

4.9 交错反激变换器95

4.9.1 交错反激变换器次级电流的叠加96

4.10 双端（两开关管）断续模式反激变换器97

4.10.1 应用场合97

4.10.2 基本工作原理97

4.10.3 双端反激变换器的漏感效应98

参考文献99

第5章 电流模式和电流馈电拓扑100

5.1 简介100

5.1.1 电流模式控制100

5.1.2 电流馈电拓扑100

5.2 电流模式控制100

5.2.1 电流模式控制的优点101

5.3 电流模式和电压模式控制电路的比较102

5.3.1 电压模式控制电路102

5.3.2 电流模式控制电路105

5.4 电流模式优点详解107

5.4.1 输入网压的调整107

5.4.2 防止偏磁107

5.4.3 在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计107

5.4.4 负载电流调整原理109

5.5 电流模式的缺点和存在的问题109

5.5.1 恒定峰值电流与平均输出电流的比例问题109

5.5.2 对输出电感电流扰动的响应111

5.5.3 电流模式的斜率补偿111

5.5.4 用正斜率电压的斜率补偿112

5.5.5 斜率补偿的实现113

5.6 电压馈电和电流馈电拓扑的特性比较114

5.6.1 引言及定义114

5.6.2 电压馈电PWM全桥变换器的缺点114

5.6.3 Buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理117

5.6.4 Buck电压馈电全桥拓扑的优点118

5.6.5 Buck电压馈电PWM全桥电路的缺点119

5.6.6 Buck电流馈电全桥拓扑——基本工作原理120

5.6.7 反激电流馈电推挽拓扑（Weinberg电路）129

参考文献142

第6章 其他拓扑143

6.1 SCR谐振拓扑概述143

6.2 SCR和ASCR的基本工作原理144

6.3 利用谐振正弦阳极电流关断SCR的单端谐振逆变器拓扑148

6.4 SCR谐振桥式拓扑概述150

6.4.1 串联负载SCR半桥谐振变换器的基本工作原理152

6.4.2 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计计算153

6.4.3 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计实例155

6.4.4 并联负载SCR半桥谐振变换器155

6.4.5 单端SCR谐振变换器拓扑的设计156

6.5 Cuk变换器拓扑概述160

6.5.1 Cuk变换器的基本工作原理160

6.5.2 输出/输入电压比与开关管Q1导通时间的关系161

6.5.3 L1和L2的电流变化率162

6.5.4 消除输入电流纹波的措施163

6.5.5 Cuk变换器的隔离输出163

6.6 小功率辅助电源拓扑概述164

6.6.1 辅助电源的接地问题164

6.6.2 可供选择的辅助电源165

6.6.3 辅助电源的典型电路165

6.6.4 Royer振荡器辅助电源的基本工作原理167

6.6.5 作为辅助电源的简单反激变换器176

6.6.6 作为辅助电源的Buck调节器（输出带直流隔离）179

参考文献179

第2部分 磁路与电路设计181

第7章 变压器及磁性元件设计181

7.1 引言181

7.2 变压器磁心材料与几何结构、峰值磁通密度的选择182

7.2.1 几种常用铁氧体材料的磁心损耗与频率和磁通密度的关系182

7.2.2 铁氧体磁心的几何尺寸183

7.2.3 峰值磁通密度的选择187

7.3 磁心最大输出功率、峰值磁通密度、磁心和骨架面积及线圈电流密度的选择187

7.3.1 变换器拓扑输出功率公式的推导187

7.3.2 推挽变换器输出功率公式的推导190

7.3.3 半桥拓扑输出功率公式的推导193

7.3.4 全桥拓扑输出功率公式的推导194

7.3.5 以查表的方式确定磁心和工作频率194

7.4 变压器温升的计算201

7.5 变压器中的铜损204

7.5.1 引言204

7.5.2 集肤效应204

7.5.3 集肤效应——定量分析205

7.5.4 不同规格的线径在不同频率下的交/直流阻抗比206

7.5.5 矩形波电流的集肤效应[14]208

7.5.6 邻近效应208

7.6 引言：利用面积乘积（AP）法进行电感及磁性元件设计215

7.6.1 AP法的优点216

7.6.2 电感器设计217

7.6.3 信号级小功率电感217

7.6.4 输入滤波电感217

7.6.5 设计举例：60Hz共模输入滤波电感219

7.6.6 差模输入滤波电感224

7.7 磁学：扼流线圈简介——直流偏置电流很大的电感227

7.7.1 公式、单位和图表228

7.7.2 有磁化直流偏置的磁化曲线特征229

7.7.3 磁场强度Hdc230

7.7.4 增加扼流圈电感或者额定直流偏置量的方法230

7.7.5 磁通密度△B231

7.7.6 气隙的作用233

7.7.7 温升233

7.8 磁设计——扼流圈磁心材料简介234

7.8.1 适用于低交流应力场合的扼流圈材料234

7.8.2 适用于高交流应力场合的扼流圈材料234

7.8.3 适用于中等范围的扼流圈材料234

7.8.4 磁心材料饱和特性234

7.8.5 磁心材料损耗特性235

7.8.6 材料饱和特性236

7.8.7 材料磁导率参数237

7.8.8 材料成本237

7.8.9 确定最佳的磁心尺寸和形状238

7.8.10 磁心材料选择总结238

7.9 磁学：扼流圈设计例子238

7.9.1 扼流圈设计例子：加了气隙的铁氧体磁心238

7.9.2 步骤一：确定20％纹波电流需要的电感量240

7.9.3 步骤二：确定面积乘积（AP）240

7.9.4 步骤三：计算最小匝数240

7.9.5 步骤四：计算磁心气隙241

7.9.6 步骤五：确定最佳线径242

7.9.7 步骤六：计算最佳线径242

7.9.8 步骤七：计算绕组电阻243

7.9.9 步骤八：确定功率损耗243

7.9.10 步骤九：预测温升——面积乘积法243

7.9.11 步骤十：核查磁心损耗244

7.10 磁学：用粉芯磁心材料设计扼流圈——简介246

7.10.1 影响铁粉芯磁心材料选择的因素247

7.10.2 粉芯材料的饱和特性247

7.10.3 粉芯材料的损耗特性248

7.10.4 铜耗——低交流应力时限制扼流圈设计的因素249

7.10.5 磁心损耗——高交流应力时限制扼流圈设计的因素249

7.10.6 中等交流应力时的扼流圈设计250

7.10.7 磁心材料饱和特性250

7.10.8 磁心的几何结构250

7.10.9 材料成本250

7.11 扼流圈设计例子：用环形Kool Mμ材料设计受铜耗限制的扼流圈251

7.11.1 引言251

7.11.2 根据所储存能量和面积乘积法选择磁心尺寸251

7.11.3 受铜耗限制的扼流圈设计例子252

7.12 用各种E形粉芯设计扼流圈的例子256

7.12.1 引言256

7.12.2 第一个例子：用#40E形铁粉芯材料设计扼流圈257

7.12.3 第二个例子：用#8E形铁粉芯磁心设计扼流圈262

7.12.4 第三个例子：用#60 E形Kool Mμ磁心设计扼流圈263

7.13 变感扼流圈设计例子：用E形Kool Mμ磁芯设计受铜耗限制的扼流圈266

7.13.1 变感扼流圈266

7.13.2 变感扼流圈设计例子266

参考文献269

第8章 双极型大功率晶体管的基极驱动电路270

8.1 引言270

8.2 双极型晶体管的理想基极驱动电路的主要目标270

8.2.1 导通期间足够大的电流270

8.2.2 导通瞬间基极过驱动峰值输入电流Ib1271

8.2.3 关断瞬间反向基极电流尖峰Ib2272

8.2.4 关断瞬间基射极间的-1～-5V反向电压尖峰274

8.2.5 贝克（Baker）钳位电路（能同时满足高、低β值的晶体管工作要求的电路）274

8.2.6 对驱动效率的改善275

8.3 变压器耦合的贝克（Baker）钳位电路275

8.3.1 Baker钳位的工作原理277

8.3.2 使用变压器耦合的Baker钳位电路278

8.3.3 结合集成变压器的Baker钳位282

8.3.4 达林顿管（Darlington）内部的Baker钳位电路283

8.3.5 比例基极驱动284

8.3.6 其他类型的基极驱动电路288

参考文献292

第9章 MOSFET和IGBT及其驱动电路293

9.1 MOSFET概述293

9.1.1 IGBT概述293

9.1.2 电源工业的变化293

9.1.3 对新电路设计的影响293

9.2 MOSFET管的基本工作原理294

9.2.1 MOSFET管的输出特性（Idd-Vd8）294

9.2.2 MOSFET管的通态阻抗rds（on）297

9.2.3 MOSFET管的输入阻抗米勒效应和栅极电流297

9.2.4 计算栅极电压的上升和下降时间已获得理想的漏极电流上升和下降时间299

9.2.5 MOSFET管栅极驱动电路300

9.2.6 MOSFET管rds温度特性和安全工作区302

9.2.7 MOSFET管栅极阈值电压及其温度特性304

9.2.8 MOSFET管开关速度及其温度特性305

9.2.9 MOSFET管的额定电流305

9.2.10 MOSFET管并联工作307

9.2.11 推挽拓扑中的MOSFET管309

9.2.12 MOSFET管的最大栅极电压310

9.2.13 MOSFET管源漏极间的体二极管310

9.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）概述311

9.3.1 选择合适的IGBT311

9.3.2 IGBT构造概述312

9.3.3 IGBT工作特性313

9.3.4 IGBT并联使用315

9.3.5 技术参数和最大额定值315

9.3.6 静态电学特性317

9.3.7 动态特性318

9.3.8 温度和机械特性320

参考文献322

第10章 磁放大器后级调节器323

10.1 引言323

10.2 线性调整器和Buck后级调整器324

10.3 磁放大器概述324

10.3.1 用作快速开关的方形磁滞回线磁心326

10.3.2 磁放大器中的关断和导通时间328

10.3.3 磁放大器磁心复位及稳压328

10.3.4 利用磁放大器关断辅输出329

10.3.5 方形磁滞回线磁心特性和几种常用磁心330

10.3.6 磁心损耗和温升的计算337

10.3.7 设计实例——磁放大器后级整流338

10.3.8 磁放大器的增益341

10.3.9 推挽电路的磁放大器输出341

10.4 磁放大器脉宽调制器和误差放大器342

10.4.1 磁放大器脉宽调制及误差放大器电路342

参考文献344

第11章 开关损耗分析与负载线整形缓冲电路设计346

11.1 引言346

11.2 无缓冲电路的晶体管的关断损耗347

11.3 RCD关断缓冲电路348

11.4 RCD缓冲电路中电容的选择349

11.5 设计范例——RCD缓冲电路349

11.5.1 接电源正极的RCD缓冲电路350

11.6 无损缓冲电路351

11.7 负载线整形（减少尖峰电压以防止晶体管二次击穿的缓冲器）352

11.8 变压器无损缓冲电路353

参考文献354

第12章 反馈环路的稳定355

12.1 引言355

12.2 系统振荡原理356

12.2.1 电路稳定的增益准则356

12.2.2 电路稳定的增益斜率准则356

12.2.3 输出LC滤波器的增益特性（输出电容含/不含ESR）360

12.2.4 脉宽调制器的增益361

12.2.5 LC输出滤波器加调制器和采样网络的总增益362

12.3 误差放大器幅频特性曲线的设计362

12.4 误差放大器的传递函数、极点和零点364

12.5 零点、极点频率引起的增益斜率变化规则365

12.6 只含单零点和单极点的误差放大器传递函数的推导366

12.7 根据2型误差放大器的零点、极点位置计算相移367

12.8 考虑ESR时LC滤波器的相移368

12.9 设计实例——含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性368

12.10 3型误差放大器的应用及其传递函数371

12.11 3型误差放大器零点、极点位置引起的相位滞后372

12.12 3型误差放大器的原理图、传递函数及零点、极点位置373

12.13 设计实例——通过3型误差放大器反馈环路稳定正激变换器374

12.14 3型误差放大器元件的选择376

12.15 反馈系统的条件稳定376

12.16 不连续模式下反激变换器的稳定377

12.16.1 从误差放大器端到输出电压节点的直流增益377

12.16.2 不连续模式下反激变换器的误差放大器输出端到输出电压节点的传递函数379

12.17 不连续模式下反激变换器误差放大器的传递函数380

12.18 设计实例——不连续模式下反激变换器的稳定381

12.19 跨导误差放大器382

参考文献384

第13章 谐振变换器385

13.1 引言385

13.2 谐振变换器385

13.3 谐振正激变换器386

13.3.1 某谐振正激变换器的实测波形388

13.4 谐振变换器的工作模式389

13.4.1 不连续模式和连续模式；过谐振模式和欠谐振模式389

13.5 连续模式下的谐振半桥变换器390

13.5.1 并联谐振变换器（PRC）和串联谐振变换器（SRC）390

13.5.2 连续模式下串联负载和并联负载谐振半桥变换器的交流等效电路和增益曲线392

13.5.3 连续模式（CCM）下串联负载谐振半桥变换器的调节393

13.5.4 连续模式下并联负载谐振半桥变换器的调节393

13.5.5 连续模式下串联/并联谐振变换器394

13.5.6 连续模式下零电压开关准谐振变换器396

13.6 谐振电源小结397

参考文献398

第3部分 典型波形400

第14章 开关电源的典型波形400

14.1 引言400

14.2 正激变换器波形400

14.2.1 80％额定负载下测得的Vds和Id的波形401

14.2.2 40％额定负载下的Vdc和Ids的波形403

14.2.3 导通/关断过程中漏源极间电压和漏极电流的重叠404

14.2.4 漏极电流、漏源极间的电压和栅源极间的电压波形的相位关系405

14.2.5 变压器的次级电压、输出电感电流的上升和下降时间与功率晶体管漏源电压波形405

14.2.6 图14.1中的正激变换器的PWM驱动芯片（UC3525A）的关键点波形405

14.3 推挽拓扑波形概述406

14.3.1 最大、额定及最小电源电压下，负载电流最大时变压器中心抽头处的电流和开关管漏源极间的电压407

14.3.2 两开关管Vdc的波形及死区期间磁心的磁通密度410

14.3.3 栅源极间电压、漏源极间电压和漏极电流的波形411

14.3.4 漏极处的电流探头与变压器中心抽头处的电流探头各自测量得到的漏极电流波形的比较411

14.3.5 输出纹波电压和整流器阴极电压411

14.3.6 开关管导通时整流器阴极电压的振荡现象413

14.3.7 开关管关断时下降的漏极电流和上升的漏源极间电压重叠产生的交流开关损耗414

14.3.8 20％最大输出功率下漏源极间电压和在变压器中心抽头处测得的漏极电流的波形414

14.3.9 20％最大输出功率下的漏极电流和漏极电压的波形417

14.3.10 20％最大输出功率下两开关管漏源极间电压的波形417

14.3.11 输出电感电流和整流器阴极电压的波形417

14.3.12 输出电流大于最小输出电流时输出整流器阴极电压的波形417

14.3.13 栅源极间电压和漏极电流波形的相位关系417

14.3.14 整流二极管（变压器次级）的电流波形417

14.3.15 由于励磁电流过大或直流输出电流较小造成的每半周期两次“导通”的现象418

14.3.16 功率高于额定最大输出功率15％时的漏极电流和漏极电压的波形420

14.3.17 开关管死区期间的漏极电压振荡420

14.4 反激拓扑波形420

14.4.1 引言420

14.4.2 90％满载情况下，输入电压为其最小值、最大值及额定值时漏极电流和漏源极间电压的波形421

14.4.3 输出整流器输入端的电压和电流波形423

14.4.4 开关管关断瞬间缓冲器电容的电流波形424

参考文献425

第4部分 开关电源技术的应用427

第15章 功率因数及功率因数校正427

15.1 功率因数427

15.2 开关电源的功率因数校正428

15.3 校正功率因数的基本电路429

15.3.1 用于功率因数校正的连续和不连续工作模式Boost电路对比431

15.3.2 连续工作模式下Boost变换器对输入网压变化的调整431

15.3.3 连续工作模式下Boost变换器对负载电流变化的调整433

15.4 用于功率因数校正的集成电路芯片434

15.4.1 功率因数校正芯片Unitrode UC3854434

15.4.2 用UC3854实现输入电网电流的正弦化435

15.4.3 使用UC3854保持输出电压恒定437

15.4.4 采用UC3854芯片控制电源的输出功率437

15.4.5 采用UC3854芯片的Boost电路开关频率的选择438

15.4.6 Boost输出电感L1的选择439

15.4.7 Boost输出电容的选择439

15.4.8 UC3854的峰值电流限制441

15.4.9 设计稳定的UC3854反馈环441

15.5 Motorola MC34261功率因数校正芯片441

15.5.1 Motorola MC34261的详细说明（图15.11）442

15.5.2 MC34261的内部逻辑及结构（图15.11和图15.12）443

15.5.3 开关频率和L1电感量的计算444

15.5.4 MC34261电流检测电阻（R9）和乘法器输入电阻网络（R3和R7）的选择445

参考文献446

第16章 电子镇流器——应用于荧光灯的高频电源447

16.1 引言：电磁镇流器447

16.2 荧光灯的物理特性和类型449

16.3 电弧特性452

16.3.1 在直流电压下的电弧特性452

16.3.2 交流驱动的荧光灯453

16.3.3 带电子镇流器荧光灯的伏安特性455

16.4 电子镇流器电路458

16.5 DC/AC逆变器的一般特性458

16.6 DC/AC逆变器拓扑459

16.6.1 电流馈电式推挽拓扑460

16.6.2 电流馈电式推挽拓扑的电压和电流462

16.6.3 电流馈电拓扑中的“电流馈电”电感的幅值462

16.6.4 电流馈电电感中具体磁心的选择463

16.6.5 电流馈电电感线圈的设计467

16.6.6 电流馈电拓扑中的铁氧体磁心变压器468

16.6.7 电流馈电拓扑的环形磁心变压器473

16.7 电压馈电推挽拓扑474

16.8 电流馈电并联谐振半桥拓扑475

16.9 电压馈电串联谐振半桥拓扑477

16.10 电子镇流器的封装478

参考文献479

第17章 用于笔记本电脑和便携式电子设备的低输入电压变换器480

17.1 引言480

17.2 低输入电压芯片变换器供应商480

17.3 凌特（Linear Technology）公司的Boost和Buck变换器481

17.3.1 凌特LT1170 Boost变换器482

17.3.2 LT1170 Boost变换器的主要波形484

17.3.3 IC变换器的热效应485

17.3.4 LT1170 Boost变换器的其他应用489

17.3.5 LTC他类型高功率Boost变换器493

17.3.6 Boost变换器的元件选择493

17.3.7 凌特Buck变换器系列495

17.3.8 LT1074 Buck变换器的其他应用499

17.3.9 LTC高效率、大功率Buck变换器501

17.3.10 凌特大功率Buck变换器小结507

17.3.11 凌特低功率变换器507

17.3.12 反馈环的稳定性507

17.4 Maxim公司的变换器芯片513

17.5 由芯片产品构成的分布式电源系统517

参考文献519