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第1部分 拓扑分析3

第1章 基本开关型调整器——buck、boost及反相型拓扑3

1.1 简介3

1.2 线性调整器——开关调整器的原型3

1.2.1 基本工作原理及优缺点3

1.2.2 线性调整器的缺点4

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5

1.2.5 串接PNP型晶体管的低压差线性调整器6

1.3 buck开关型调整器拓扑7

1.3.1 基本工作原理7

1.3.2 buck调整器的主要电流波形9

1.3.3 buck调整器的效率（忽略交流开关损耗）9

1.3.4 buck调整器的效率（考虑交流开关损耗）10

1.3.5 buck调整器的理想开关频率12

1.3.6 参数设计——输出滤波电感的选择12

1.3.7 参数设计——输出滤波电容的选择15

1.3.8 有直流隔离调整输出的buck调整器的电压调节16

1.4 boost开关调整器拓扑17

1.4.1 基本原理17

1.4.2 boost调整器的定量分析18

1.4.3 boost调整器的不连续工作模式和连续工作模式18

1.4.4 不连续模式下的boost调整器的参数设计20

1.4.5 boost调整器的应用及与反激变换器的比较22

1.5 反极性开关调整器拓扑22

1.5.1 基本工作原理22

1.5.2 反极性调整器设计关系24

参考文献24

第2章 推挽和正激变换器拓扑25

2.1 引言25

2.2 推挽拓扑25

2.2.1 有主从输出的推挽拓扑基本原理25

2.2.2 输入及负载变化时从输出的调节27

2.2.3 从输出电压实际值27

2.2.4 主输出电感的最小电流限制28

2.2.5 推挽拓扑中的磁通不平衡28

2.2.6 磁通不平衡的表现30

2.2.7 磁通不平衡的测试32

2.2.8 磁通不平衡的解决方法32

2.2.9 功率变压器设计34

2.2.10 初／次级绕组的峰值电流及电流有效值36

2.2.11 开关管的电压应力及漏感尖峰39

2.2.12 功率开关管损耗40

2.2.13 推挽拓扑输出功率及输入电压的限制42

2.2.14 输出滤波器的设计43

2.3 正激变换器拓扑44

2.3.1 基本工作原理44

2.3.2 输出／输入电压与导通时间和匝数比的设计关系47

2.3.3 从输出电压48

2.3.4 次级负载、续流二极管及电感的电流49

2.3.5 初级电流、输出功率及输入电压之间的关系49

2.3.6 功率开关管最大关断电压应力49

2.3.7 实际输入电压和输出功率限制50

2.3.8 功率和复位绕组匝数不相等的正激变换器50

2.3.9 正激变换器电磁理论52

2.3.10 功率变压器的设计54

2.3.11 输出滤波器的设计56

2.4 双管单端（以下简称双端）正激变换器拓扑57

2.4.1 基本原理57

2.4.2 设计原则及变压器的设计59

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61

2.5.3 输出滤波器的设计62

第3章 半桥和全桥变换器拓扑63

3.1 概述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 防止磁通不平衡的阻断电容的选择65

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67

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 变压器初级阻断电容的选择70

第4章 反激变换器71

4.1 概述71

4.2 反激变换器的应用范围71

4.3 DCM模式下反激变换器的基本工作原理72

4.3.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系73

4.3.2 设计原则和设计步骤73

4.3.3 反激拓扑的电磁原理77

4.3.4 反激变换器的缺点81

4.3.5 不使用倍压／全波整流转换开关的120V/220V交流输入反激变换器85

4.4 连续模式下反激变换器的基本工作原理87

4.4.1 不连续模式向连续模式的过渡88

4.4.2 连续模式反激变换器的设计原则89

4.5 交错反激变换器92

4.5.1 交错反激变换器次级电流关系93

4.6 双端不连续模式反激变换器94

4.6.1 应用场合94

4.6.2 基本工作原理94

4.6.3 双端反激变换器的漏感效应95

参考文献96

第5章 电流模式拓扑和电流馈电拓扑97

5.1 简介97

5.2 电流模式拓扑的优点97

5.2.1 防止推挽变换器的偏磁问题97

5.2.2 对输入网压变化即时响应（电压前馈特性）98

5.2.3 反馈回路设计的简化98

5.2.4 并联输出98

5.2.5 改善负载电流调整98

5.3 电流模式和电压模式控制电路的比较98

5.3.1 电压模式控制电路99

5.3.2 电流模式控制电路100

5.4 电流模式优点详解104

5.4.1 输入网压的调整104

5.4.2 防止偏磁105

5.4.3 在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计105

5.4.4 负载电流调整原理106

5.5 电流模式的缺点和存在问题106

5.5.1 输出电感峰值电流恒定而非其平均电流恒定的问题106

5.5.2 对输出电感电流扰动的响应108

5.5.3 电流模式的斜率补偿108

5.5.4 用正斜率电压的斜率补偿110

5.5.5 斜率补偿的实现110

5.6 电压馈电和电流馈电拓扑111

5.6.1 简介及定义111

5.6.2 电压馈电PWM全桥变换器的缺点112

5.6.3 buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理114

5.6.4 buck电压馈电全桥拓扑的优点115

5.6.5 buck电压馈电PWM全桥电路的缺点117

5.6.6 buck电流馈电全桥拓扑——基本工作原理117

5.6.7 反激电流馈电推挽拓扑（Weinberg电路；参考文献23）126

参考文献139

第6章 其他拓扑141

6.1 SCR谐振拓扑概述141

6.2 SCR的基本工作原理142

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146

6.4 SCR谐振桥式拓扑概述148

6.4.1 串联负载SCR半桥谐振变换器的基本工作原理［9，10］150

6.4.2 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计计算［9，10］151

6.4.3 串联负载SCR半桥谐振变换器的设计实例153

6.4.4 并联负载SCR半桥谐振变换器［6、12］154

6.4.5 单端SCR谐振变换器拓扑的设计［3，5］154

6.5 Cuk变换器拓扑概述158

6.5.1 Cuk变换器的基本工作原理159

6.5.2 输出／输入电压比与开关管Q导通时间的关系160

6.5.3 L1和L2的电流变化率161

6.5.4 消除输入电流纹波的措施161

6.5.5 Cuk变换器的隔离输出162

6.6 小功率辅助电源拓扑概述［15～17］162

6.6.1 辅助电源的接地问题163

6.6.2 可供选择的辅助电源163

6.6.3 辅助电源的典型电路164

6.6.4 Royer振荡器的基本工作原理［17，18］166

6.6.5 作为辅助电源的简单反激变换器175

6.6.6 作为辅助电源的buck调节器（输出带直流隔离）177

参考文献177

第2部分 磁路与电路设计181

第7章 变压器磁设计181

7.1 概述181

7.2 变压器磁心材料、几何结构及峰值磁通密度的选择181

7.2.1 几种常用铁氧体的磁心铁损随频率和磁通密度变化的关系181

7.2.2 铁氧体磁心的几何形状185

7.2.3 峰值磁通密度的选择187

7.3 变压器磁心最大输出功率、峰值磁通密度、磁心和骨架面积及线圈电流密度的选择188

7.3.1 正激变换器输出功率公式的推导188

7.3.2 推挽拓扑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194

7.3.4 全桥拓扑输出功率公式的推导195

7.3.5 以查表方式确定磁心和工作频率195

7.4 变压器温升的计算202

7.5 变压器铜损的计算204

7.5.1 概述204

7.5.2 集肤效应204

7.5.3 集肤效应——数量关系205

7.5.4 不同规格的线径在不同频率下的交／直流阻抗比207

7.5.5 矩形波电流的集肤效应［14］208

7.5.6 邻近效应211

参考文献217

第8章 双极型大功率晶体管的基极驱动电路218

8.1 概述218

8.2 双极型基极驱动电路的设计规则218

8.2.1 器件导通期间的电流要求218

8.2.2 导通瞬间基极过驱动峰值输入电流Ib1219

8.2.3 基极关断反向电流尖峰Ib2220

8.2.4 关断瞬间基射极间的反向电压尖峰220

8.2.5 能同时满足高、低β值的晶体管工作要求的设计方案222

8.2.6 驱动效率222

8.3 贝克（Baker）钳位222

8.3.1 Baker钳位的工作原理224

8.3.2 使用变压器耦合的Baker钳位电路226

8.3.3 变压器型Baker钳位［5］230

8.3.4 达林顿管（Darlington）内部的Baker钳位电路231

8.3.5 比例基极驱动［2～4］232

8.3.6 其他类型的基极驱动电路237

参考文献241

第9章 大功率场效应管（MOSFET）及其驱动电路242

9.1 概述242

9.2 MOSFET管的基本工作原理243

9.2.1 MOSFET管的输出特性（Id-Vds）244

9.2.2 MOSFET管的输入阻抗和栅极电流246

9.2.3 MOSFET管栅极驱动上升时间和下降时间247

9.2.4 MOSFET管栅极驱动电路248

9.2.5 MOSFET管Rds温度特性和安全工作区251

9.2.6 MOSFET管栅极阈值电压及其温度特性253

9.2.7 MOSFET管开关速度及其温度特性253

9.2.8 MOSFET管的额定电流254

9.2.9 MOSFET管并联工作［7］256

9.2.10 推挽拓扑中的MOSFET管258

9.2.11 MOSFET管的最大栅极电压259

9.2.12 MOSFET管源漏极间的体二极管259

参考文献260

第10章 磁放大器后级调节器261

10.1 概述261

10.2 线性调整器和buck后级调整器262

10.3 磁放大器简介262

10.3.1 用作快速开关的方形磁滞回线磁心264

10.3.2 磁放大器中的关断和导通时间266

10.3.3 磁放大器磁心复位及稳压266

10.3.4 利用磁放大器关断辅输出267

10.3.5 方形磁滞回线磁心特性和几种常用磁心267

10.3.6 磁心损耗和温升的计算274

10.3.7 设计实例——磁放大器后级整流276

10.3.8 磁放大器的增益278

10.3.9 推挽电路的磁放大器输出279

10.4 磁放大器脉宽调制器和误差放大器279

10.4.1 磁放大器脉宽调制及误差放大器电路279

参考文献281

第11章 缓冲网络283

11.1 概述283

11.2 无缓冲器的开关管的关断损耗284

11.3 RCD关断缓冲器285

11.4 RCD缓冲器中电容的选择286

11.5 设计范例——RCD缓冲器286

11.5.1 接电源正极的RCD缓冲器287

11.6 无损缓冲器288

11.7 防止开关管二次击穿的漏感尖峰缓冲器289

11.8 变压器辅助缓冲器291

参考文献291

第12章 反馈环路的稳定292

12.1 引言292

12.2 系统振荡原理293

12.2.1 电路稳定的增益准则293

12.2.2 电路稳定的增益斜率准则294

12.2.3 LC输出滤波器的增益特性（输出电容含／不含ESR）297

12.2.4 脉宽调制器的增益299

12.2.5 LC输出滤波器加调制器和采样网络的总增益299

12.3 误差放大器幅频特性曲线的设计299

12.4 误差放大器的传递函数、零点和极点302

12.5 零、极点频率引起的增益斜率变化规则303

12.6 含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导304

12.7 根据2型误差放大器的零、极点位置计算它的相位延迟305

12.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟306

12.9 设计实例——含有2型误差放大器的正激变换器反馈系统的稳定307

12.10 3型误差放大器的使用及其传递函数310

12.11 3型误差放大器传递函数的零、极点位置引起的相位滞后311

12.12 3型误差放大器的原理图、传递函数和零、极点位置312

12.13 设计实例——含3型误差放大器的正激变换器反馈系统的稳定313

12.14 获得所需3型误差放大器增益曲线的元件选择314

12.15 反馈系统的条件稳定315

12.16 不连续模式下反激变换器的稳定316

12.16.1 从误差放大器输出到输出电压节点的直流增益316

12.16.2 不连续模式下反激变换器的传递函数（从误差放大器输出到输出电压节点的交流增益）317

12.17 不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数319

12.18 设计实例——不连续模式下反激变换器的稳定320

12.19 跨导误差放大器322

参考文献324

第13章 谐振变换器325

13.1 引言325

13.2 谐振正激变换器326

13.2.1 某谐振正激变换器的实测波形328

13.3 谐振变换器的工作模式330

13.3.1 不连续模式和连续模式；过谐振和欠谐振模式330

13.4 连续模式下的谐振半桥变换器［4］331

13.4.1 并联谐振变换器和串联谐振变换器331

13.4.2 连续模式下串／并联负载谐振半桥变换器的交流等效电路和增益曲线［4］332

13.4.3 连续模式（CCM）下串联负载谐振半桥变换器的调节333

13.4.4 连续模式下并联负载谐振半桥变换器的调节334

13.4.5 连续模式下串／并联谐振变换器335

13.4.6 连续模式下零电压开关准谐振变换器337

13.5 谐振电源小结338

参考文献339

第3部分 开关电源的典型波形343

第14章 波形343

14.1 概述343

14.2 正激变换器波形344

14.2.1 80％额定负载下测得的Vds和Id的波形344

14.2.2 40％额定负载下的Vdc和Ids的波形346

14.2.3 导通／关断过程中漏源极间电压和漏极电流的重叠347

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348

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348

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348

14.3 推挽拓扑波形概述349

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350

14.3.2 两开关管Vds的波形及死区期间磁心的磁通密度353

14.3.3 栅源极间电压、漏源极间电压和漏极电流的波形354

14.3.4 电流探头串联于漏极时与串联于变压器中心抽头时测量得到的漏极电流波形的比较354

14.3.5 输出纹波电压和整流器阴极电压354

14.3.6 开关管导通时整流器阴极电压的振荡现象355

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357

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357

14.3.9 20％最大输出功率下的漏极电流和漏极电压的波形359

14.3.10 20％最大输出功率下两开关管漏源极间电压的波形360

14.3.11 5V主输出电路的电感电流和整流器阴极电压的波形360

14.3.12 输出电流大于最小输出电流时5V主输出整流器阴极电压的波形360

14.3.13 栅源极间电压和漏极电流波形的相位关系360

14.3.14 整流二极管（变压器次级）的电流波形360

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360

14.3.16 输出115％最大功率时的漏极电流和漏源极间电压的波形362

14.3.17 开关管死区期间的漏极电压振荡362

14.4 反激拓扑波形363

14.4.1 概述363

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364

14.4.3 输出整流器输入端的电压和电流波形365

14.4.4 开关管关断瞬间缓冲器电容的电流波形367

第4部分 开关电源新技术371

第15章 功率因数及功率因数校正371

15.1 功率因数371

15.2 开关电源的功率因数校正372

15.3 校正功率因数的基本电路373

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375

15.3.2 连续工作模式下boost变换器对输入网压变化的调整377

15.3.3 连续工作模式下boost变换器对负载电流变化的调整377

15.4 用于功率因数校正的集成电路芯片379

15.4.1 功率因数校正芯片Unitrode UC3854379

15.4.2 用UC3854实现输入电网电流的正弦化380

15.4.3 使用UC3854保持输出电压恒定380

15.4.4 采用UC3854芯片的电源的输出功率381

15.4.5 采用UC3854芯片的boost电路开关频率的选择383

15.4.6 boost输出电感L1的选择383

15.4.7 boost输出电容的选择384

15.4.8 UC3854的峰值电流限制385

15.4.9 设计稳定的UC3854反馈环386

15.5 Motorola MC34261功率因数校正芯片386

15.5.1 Motorola MC34261的详细说明（图15.11）387

15.5.2 MC34261的内部逻辑及结构（图15.11和图15.12）388

15.5.3 开关频率和L1电感值的计算388

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390

参考文献390

第16章 电子镇流器391

16.1 采用高频电源的原因391

16.2 荧光灯的物理特性和类型393

16.3 电弧特性395

16.3.1 在直流电压下电极的电弧特性396

16.3.2 交流驱动的荧光灯398

16.3.3 荧光灯伏安特性398

16.4 电子镇流器电路401

16.5 DC/AC逆变器的一般特性402

16.6 DC/AC逆变拓扑403

16.6.1 电流馈电式推挽拓扑403

16.6.2 电流馈电式推挽拓扑的电压和电流406

16.6.3 电流馈电拓扑中的“电流馈电”电感的幅值406

16.6.4 电流馈电电感中具体磁心的选择407

16.6.5 电流馈电电感线圈的设计412

16.6.6 电流馈电拓扑中的铁氧体磁心变压器413

16.6.7 电流馈电拓扑的环形磁心变压器418

16.7 电压馈电推挽拓扑418

16.8 电流馈电并联谐振半桥拓扑420

16.9 电压馈电串联谐振半桥拓扑422

16.10 电子镇流器的封装423

参考文献424

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425

17.1 低输入电压芯片变换器供应商425

17.2 凌特（Linear Technology）公司的boost和buck变换器［1］426

17.2.1 凌特LT1170 boost变换器［3］427

17.2.2 LT1170 boost变换器的主要波形429

17.2.3 IC变换器的热效应［3］430

17.2.4 LT1170 boost变换器的应用436

17.2.5 其他LTC高功率boost变换器［5］440

17.2.6 boost变换器的元件选择440

17.2.7 凌特buck变换器系列442

17.2.8 LT1074 buck变换器的应用444

17.2.9 高效率LTC大功率buck变换器449

17.2.10 凌特大功率buck变换器小结455

17.2.11 凌特小功率变换器455

17.2.12 反馈环的稳定［3］455

17.3 Maxim公司的变换器芯片464

17.4 由芯片产品构成的分布式电源系统466

参考文献469