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开关电源设计(第二版)

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标    签:开关电源设计

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内容简介本书系统地论述了开关电源电路的功率转换和脉宽调制原理、磁性元件的设计原则及闭环反馈的稳定性和驱动保护等内容。书中同时介绍了高频开关电源方面的最新技术进展:功率因数校正技术、软开关技术、荧光灯电子镇流器及手提电脑用低压输入电源。本书还在基本拓扑原理分析的基础上,对各功率变换器件的参数选择和变换器波形进行了定量分析,并给出了不同拓扑电路的设计实例。本书可以作为学习、研究高频开关电源的高校师生的教材,也可作为从事开关电源设计、开发的工程师的设计参考资料。 图书目录第1部分拓扑分析第1章基本开关型调整器——buck、boost及反相型拓扑1.1简介1.2线性调整器——开关调整器的原型1.2.1基本工作原理及优缺点1.2.2线性调整器的缺点1.2.3串接晶体管的功率损耗1.2.4线性调整器的效率与输出电压的关系1.2.5串接pnp型晶体管的低压差线性调整器1.3buck开关型调整器拓扑1.3.1基本工作原理1.3.2buck调整器的主要电流波形1.3.3buck调整器的效率(忽略交流开关损耗)1.3.4buck调整器的效率(考虑交流开关损耗)1.3.5buck调整器的理想开关频率1.3.6参数设计——输出滤波电感的选择1.3.7参数设计——输出滤波电容的选择1.3.8有直流隔离调整输出的buck调整器的电压调节1.4boost开关调整器拓扑1.4.1基本原理1.4.2boost调整器的定量分析1.4.3boost调整器的不连续工作模式和连续工作模式1.4.4不连续模式下的boost调整器的参数设计1.4.5boost调整器的应用及与反激变换器的比较1.5反极性开关调整器拓扑1.5.1基本工作原理1.5.2反极性调整器设计关系参考文献第2章推挽和正激变换器拓扑2.1引言2.2推挽拓扑2.2.1有主从输出的推挽拓扑基本原理2.2.2输入及负载变化时从输出的调节2.2.3从输出电压实际值2.2.4主输出电感的最小电流限制2.2.5推挽拓扑中的磁通不平衡2.2.6磁通不平衡的表现2.2.7磁通不平衡的测试2.2.8磁通不平衡的解决方法2.2.9功率变压器设计2.2.10初/次级绕组的峰值电流及电流有效值2.2.11开关管的电压应力及漏感尖峰2.2.12功率开关管损耗2.2.13推挽拓扑输出功率及输入电压的限制2.2.14输出滤波器的设计2.3正激变换器拓扑2.3.1基本工作原理2.3.2输出/输入电压与导通时间和匝数比的设计关系2.3.3从输出电压2.3.4次级负载、续流二极管及电感的电流2.3.5初级电流、输出功率及输入电压之间的关系2.3.6功率开关管最大关断电压应力2.3.7实际输入电压和输出功率限制2.3.8功率和复位绕组匝数不相等的正激变换器2.3.9正激变换器电磁理论2.3.10功率变压器的设计2.3.11输出滤波器的设计2.4双管单端(以下简称双端)正激变换器拓扑2.4.1基本原理2.4.2设计原则及变压器的设计2.5交错正激变换器拓扑2.5.1基本工作原理、优缺点和输出功率限制2.5.2变压器的设计2.5.3输出滤波器的设计第3章半桥和全桥变换器拓扑3.1概述3.2半桥变换器拓扑3.2.1工作原理3.2.2半桥变换器磁设计3.2.3输出滤波器的设计3.2.4防止磁通不平衡的阻断电容的选择3.2.5半桥变换器的漏感问题3.2.6半桥变换器与双端正激变换器的比较3.2.7半桥变换器实际输出功率的限制3.3全桥变换器拓扑3.3.1基本工作原理3.3.2全桥变换器磁设计3.3.3输出滤波器的计算3.3.4变压器初级阻断电容的选择第4章反激变换器4.1概述4.2反激变换器的应用范围4.3dcm模式下反激变换器的基本工作原理4.3.1输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系4.3.2设计原则和设计步骤4.3.3反激拓扑的电磁原理4.3.4反激变换器的缺点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4.4连续模式下反激变换器的基本工作原理4.4.1不连续模式向连续模式的过渡4.4.2连续模式反激变换器的设计原则4.5交错反激变换器4.5.1交错反激变换器次级电流关系4.6双端不连续模式反激变换器4.6.1应用场合4.6.2基本工作原理4.6.3双端反激变换器的漏感效应参考文献第5章电流模式拓扑和电流馈电拓扑5.1简介5.2电流模式拓扑的优点5.2.1防止推挽变换器的偏磁问题5.2.2对输入网压变化即时响应(电压前馈特性)5.2.3反馈回路设计的简化5.2.4并联输出5.2.5改善负载电流调整5.3电流模式和电压模式控制电路的比较5.3.1电压模式控制电路5.3.2电流模式控制电路5.4电流模式优点详解5.4.1输入网压的调整5.4.2防止偏磁5.4.3在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计5.4.4负载电流调整原理5.5电流模式的缺点和存在问题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5.5.2对输出电感电流扰动的响应5.5.3电流模式的斜率补偿5.5.4用正斜率电压的斜率补偿5.5.5斜率补偿的实现5.6电压馈电和电流馈电拓扑5.6.1简介及定义5.6.2电压馈电pwm全桥变换器的缺点5.6.3buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理5.6.4buck电压馈电全桥拓扑的优点5.6.5buck电压馈电pwm全桥电路的缺点5.6.6buck电流馈电全桥拓扑——基本工作原理5.6.7反激电流馈电推挽拓扑(weinberg电路;参考文献23)参考文献第6章其他拓扑6.1scr谐振拓扑概述6.2scr的基本工作原理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6.4scr谐振桥式拓扑概述6.4.1串联负载scr半桥谐振变换器的基本工作原理6.4.2串联负载scr半桥谐振变换器的设计计算6.4.3串联负载scr半桥谐振变换器的设计实例6.4.4并联负载scr半桥谐振变换器[6,12]6.4.5单端scr谐振变换器拓扑的设计[3,5]6.5cuk变换器拓扑概述6.5.1cuk变换器的基本工作原理6.5.2输出/输入电压比与开关管q导通时间的关系6.5.3l1和l2的电流变化率6.5.4消除输入电流纹波的措施6.5.5cuk变换器的隔离输出6.6小功率辅助电源拓扑概述[15~17]6.6.1辅助电源的接地问题6.6.2可供选择的辅助电源6.6.3辅助电源的典型电路6.6.4royer振荡器的基本工作原理[17,18]6.6.5作为辅助电源的简单反激变换器6.6.6作为辅助电源的buck调节器(输出带直流隔离)参考文献第2部分磁路与电路设计第7章变压器磁设计7.1概述7.2变压器磁心材料、几何结构及峰值磁通密度的选择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7.2.2铁氧体磁心的几何形状7.2.3峰值磁通密度的选择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7.3.1正激变换器输出功率公式的推导7.3.2推挽拓扑输出功率公式的推导7.3.3半桥拓扑输出功率公式的推导7.3.4全桥拓扑输出功率公式的推导7.3.5以查表方式确定磁心和工作频率7.4变压器温升的计算7.5变压器铜损的计算7.5.1概述7.5.2集肤效应7.5.3集肤效应——数量关系7.5.4不同规格的线径在不同频率下的交/直流阻抗比7.5.5矩形波电流的集肤效应[14]7.5.6邻近效应参考文献第8章双极型大功率晶体管的基极驱动电路8.1概述8.2双极型基极驱动电路的设计规则8.2.1器件导通期间的电流要求8.2.2导通瞬间基极过驱动峰值输入电流ib8.2.3基极关断反向电流尖峰ib8.2.4关断瞬间基射极间的反向电压尖峰8.2.5能同时满足高、低b值的晶体管工作要求的设计方案8.2.6驱动效率8.3贝克(baker)钳位8.3.1baker钳位的工作原理8.3.2使用变压器耦合的baker钳位电路8.3.3变压器型baker钳位[5]8.3.4达林顿管(darlington)内部的baker钳位电路8.3.5比例基极驱动[2~4]8.3.6其他类型的基极驱动电路参考文献第9章大功率场效应管(mosfet)及其驱动电路9.1概述9.2mosfet管的基本工作原理9.2.1mosfet管的输出特性(id-vds)9.2.2mosfet管的输入阻抗和栅极电流9.2.3mosfet管栅极驱动上升时间和下降时间9.2.4mosfet管栅极驱动电路9.2.5mosfet管rds温度特性和安全工作区9.2.6mosfet管栅极阈值电压及其温度特性9.2.7mosfet管开关速度及其温度特性9.2.8mosfet管的额定电流9.2.9mosfet管并联工作[7]9.2.10推挽拓扑中的mosfet管9.2.11mosfet管的最大栅极电压9.2.12mosfet管源漏极间的体二极管参考文献第10章磁放大器后级调节器10.1概述10.2线性调整器和buck后级调整器10.3磁放大器简介10.3.1用作快速开关的方形磁滞回线磁心10.3.2磁放大器中的关断和导通时间10.3.3磁放大器磁心复位及稳压10.3.4利用磁放大器关断辅输出10.3.5方形磁滞回线磁心特性和几种常用磁心10.3.6磁心损耗和温升的计算10.3.7设计实例——磁放大器后级整流10.3.8磁放大器的增益10.3.9推挽电路的磁放大器输出10.4磁放大器脉宽调制器和误差放大器10.4.1磁放大器脉宽调制及误差放大器电路参考文献第11章缓冲网络11.1概述11.2无缓冲器的开关管的关断损耗11.3rcd关断缓冲器11.4rcd缓冲器中电容的选择11.5设计范例——rcd缓冲器11.5.1接电源正极的rcd缓冲器11.6无损缓冲器11.7防止开关管二次击穿的漏感尖峰缓冲器11.8变压器辅助缓冲器参考文献第12章反馈环路的稳定12.1引言12.2系统振荡原理12.2.1电路稳定的增益准则12.2.2电路稳定的增益斜率准则12.2.3lc输出滤波器的增益特性(输出电容含/不含esr)12.2.4脉宽调制器的增益12.2.5lc输出滤波器加调制器和采样网络的总增益12.3误差放大器幅频特性曲线的设计12.4误差放大器的传递函数、零点和极点12.5零、极点频率引起的增益斜率变化规则12.6含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导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12.8输出电容含有esr的lc滤波器的相位延迟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12.103型误差放大器的使用及其传递函数12.113型误差放大器传递函数的零、极点位置引起的相位滞后12.123型误差放大器的原理图、传递函数和零、极点位置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12.14获得所需3型误差放大器增益曲线的元件选择12.15反馈系统的条件稳定12.16不连续模式下反激变换器的稳定12.16.1从误差放大器输出到输出电压节点的直流增益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)12.17不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数12.18设计实例——不连续模式下反激变换器的稳定12.19跨导误差放大器参考文献第13章谐振变换器13.1引言13.2谐振正激变换器13.2.1某谐振正激变换器的实测波形13.3谐振变换器的工作模式13.3.1不连续模式和连续模式;过谐振和欠谐振模式13.4连续模式下的谐振半桥变换器[4]13.4.1并联谐振变换器和串联谐振变换器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]13.4.3连续模式(ccm)下串联负载谐振半桥变换器的调节13.4.4连续模式下并联负载谐振半桥变换器的调节13.4.5连续模式下串/并联谐振变换器13.4.6连续模式下零电压开关准谐振变换器13.5谐振电源小结参考文献第3部分开关电源的典型波形第14章波形14.1概述14.2正激变换器波形14.2.180%额定负载下测得的和的波形14.2.240%额定负载下的和的波形14.2.3导通/关断过程中漏源极间电压和漏极电流的重叠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14.3推挽拓扑波形概述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14.3.2两开关管的波形及死区期间磁心的磁通密度14.3.3栅源极间电压、漏源极间电压和漏极电流的波形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14.3.5输出纹波电压和整流器阴极电压14.3.6开关管导通时整流器阴极电压的振荡现象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14.3.820%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14.3.920%最大输出功率下的漏极电流和漏极电压的波形14.3.1020%最大输出功率下两开关管漏源极间电压的波形14.3.115v主输出电路的电感电流和整流器阴极电压的波形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14.3.13栅源极间电压和漏极电流波形的相位关系14.3.14整流二极管(变压器次级)的电流波形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14.3.17开关管死区期间的漏极电压振荡14.4反激拓扑波形14.4.1概述14.4.290%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14.4.3输出整流器输入端的电压和电流波形14.4.4开关管关断瞬间缓冲器电容的电流波形第4部分开关电源新技术第15章功率因数及功率因数校正15.1功率因数15.2开关电源的功率因数校正15.3校正功率因数的基本电路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15.3.2连续工作模式下boost变换器对输入网压变化的调整15.3.3连续工作模式下boost变换器对负载电流变化的调整15.4用于功率因数校正的集成电路芯片15.4.1功率因数校正芯片unitrodeuc3815.4.2用uc3854实现输入电网电流的正弦化15.4.3使用uc3854保持输出电压恒定15.4.4采用uc3854芯片的电源的输出功率15.4.5采用uc3854芯片的boost电路开关频率的选择15.4.6boost输出电感l1的选择15.4.7boost输出电容的选择15.4.8uc3854的峰值电流限制15.4.9设计稳定的uc3854反馈环15.5motorolamc34261功率因数校正芯片15.5.1motorolamc34261的详细说明(图15.11)15.5.2mc34261的内部逻辑及结构(图15.11和图15.12)15.5.3开关频率和l1电感值的计算15.5.4mc34261电流检测电阻(r9)和乘法器输入电阻网络(r3和r7)的选择参考文献第16章电子镇流器16.1采用高频电源的原因16.2荧光灯的物理特性和类型16.3电弧特性16.3.1在直流电压下电极的电弧特性16.3.2交流驱动的荧光灯16.3.3荧光灯伏安特性16.4电子镇流器电路16.5dc/ac逆变器的一般特性16.6dc/ac逆变拓扑16.6.1电流馈电式推挽拓扑16.6.2电流馈电式推挽拓扑的电压和电流16.6.3电流馈电拓扑中的“电流馈电”电感的幅值16.6.4电流馈电电感中具体磁心的选择16.6.5电流馈电电感线圈的设计16.6.6电流馈电拓扑中的铁氧体磁心变压器16.6.7电流馈电拓扑的环形磁心变压器16.7电压馈电推挽拓扑16.8电流馈电并联谐振半桥拓扑16.9电压馈电串联谐振半桥拓扑16.10电子镇流器的封装参考文献第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17.1低输入电压芯片变换器供应商17.2凌特(lineartechnology)公司的boost和buck变换器[1]17.2.1凌特lt1170boost变换器[3]17.2.2lt1170boost变换器的主要波形17.2.3ic变换器的热效应[3]17.2.4lt1170boost变换器的应用17.2.5其他ltc高功率boost变换器[5]17.2.6boost变换器的元件选择17.2.7凌特buck变换器系列17.2.8lt1074buck变换器的应用17.2.9高效率ltc大功率buck变换器17.2.10凌特大功率buck变换器小结17.2.11凌特小功率变换器17.2.12反馈环的稳定17.3maxim公司的变换器芯片17.4由芯片产品构成的分布式电源系统参考文献 序言/前言译者序随着电力电子技术的迅速发展,高频开关电源已广泛应用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。因此,从事开关电源学习和研究的高校师生及从事开关电源设计研发的工程人员,都迫切需要理论性、实用性强的学习资料。这便是我向同行介绍本书的用意所在。本书从最基本的开关变换器入手,系统论述了开关电源电路的功率变换和脉宽调制原理,磁性元件的设计原则及闭环反馈的稳定性和驱动保护等内容。本书表述严谨规范,材料全面系统,是目前开关电源领域拓扑理论分析与实际电路设计结合得比较好的一本书。这里要说明,本书是英文原版的中译本,电路中的符号均采用原版形式。本书的翻译历时一年,翻译工作由华南理工大学电力学院王志强副教授组织完成。该校电力电子与电力传动专业的研究生王凡、任凌、李思杨、徐彪、邱添泉、龙隽、李妍等同学承担了部分章节的翻译工作,没有他们的积极参与和认真工作,本书的翻译出版几乎是不可能的。广西大学电气工程系陈延明博士审阅了本书部分章节,并提出宝贵意见,在此表示感谢。还要感谢本书作者mr.abrahami.pressman先生,感谢mcgraw-hill公司及其北京代表处王永诚先生。感谢电子工业出版社编辑刘继红对本书翻译的支持和她的辛勤工作。鉴于译者的水平有限,时间仓促,译文的不足和错漏之处在所难免,希望读者予以批评指正。译者前言自作者前一本关于开关电源设计的书(《开关和线性电源及功率变换器设计》,1978年)出版以来,功率变换领域已有了许多改变。这些改变的目的是要进一步缩小电源的体积。集成电路技术使在较小的空间里能集成更多的电路功能,它在减小电源系统的体积方面有重要作用。与十年前约1w/in3的功率密度相比,现在开关电源功率密度可达2~6w/in3。而新型谐振变换器技术使功率密度提高到了20~40w/in3。可工作于更高开关频率的功率场效应管的采用,以及新型拓扑技术和集成了更多控制和监视功能的小型pwm集成电路芯片的出现都大大减小了当今电源的体积。所有这些新技术在本书中都有介绍。作者在给美国各大电子公司工程师讲授现代开关电源设计的实践中发现,那些对基本原理有较好理解的人可以很容易地解决日常设计问题并能理解、掌握新技术。为此,本书以教学引导的方法(inatutorialway)介绍各种新技术,以使读者能理解不同电路效应的基本原理。书中还讨论了不同拓扑的关键波形及可选用的不同设计方案。本书力图避免使用未经推导的经验公式,所有影响设计结果的公式都从基本公式导出。本书加强了磁设计的内容。这是考虑到大多数电源设计人员仅是电路专家,他们善于用通过示波器观察到的电压数值、电压尖峰波形来分析解决问题,而磁滞回线轨迹是难以用示波器观察到的。这样,电路专家可能会回避或不能很好解决磁设计问题,而把难题留给对电路特性如何影响磁设计不太了解的磁学专家。为此,本书力图加强磁学内容以纠正这种情况。本书还增加了目前功率变换领域最热门的主题:功率因数校正、荧光灯电子镇流器和用于手提电脑的低输入电压电源。本书正文和文献中经常出现的波形大部分为理想波形。但作者认为,从教学角度看,由实际工作电路测得的真实波形将更有价值。一个拍摄得到的带尖峰、振荡和畸变的波形将比手绘的理想波形传递更多的电路信息并可增加设计者的信心。本书提供了几种常用拓扑不同频率下拍摄得到的实际波形。本书主要面向电源设计工程师和学习电源设计的本科生、研究生。对那些不从事电源原始设计,但对电源设计分析、评估、测试和调试有兴趣的人们也很有参考价值。本书清晰地概括了几乎所有现代开关电源实用技术的要点内容。它的出版与无数对电源技术发展做出贡献的工程师、工业设计师和学者的努力是分不开的。

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