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精通开关电源设计(中文版)

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标签: 开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

精通开关电源设计,人民邮电出版社出版,[美]马尼克塔拉 著,王志强 等译,本书基于作者多年从事开关电源设计的经验,从分析开关变换器最基本器件——电感的原理入手,由浅入深系统地论述了宽输入电压DC-DC变换器(含离线式正、反激电源)及其磁件设计、MOSFET导通和开关损耗、PCB布线技术、三种主要拓扑电压/电流模式下控制环稳定性以及开关电源电磁干扰(EMI)控制及测量的理论和实践等。书中还解答了变换器拓扑的常见问题,讨论了开关电源及电子镇流器设计的专家意见、工业经验和难点对策等。

本书不仅可作为各层次开关电源工程人员的教材,也可供开关电源设计人员和高校相关专业师生参考。

精通开关电源设计图书目录

第1章 开关电源的基本原理 1

1.1 简介 1

1.2 概述和基本术语 3

1.2.1 效率 3

1.2.2 线性调整器 4

1.2.3 通过使用开关器件提高效率 6

1.2.4 半导体开关器件基本类型 7

1.2.5 半导体开关器件并非理想器件 8

1.2.6 通过电抗元件获得高效率 8

1.2.7 早期RC型开关调整器 9

1.2.8 基于LC的开关调整器 10

1.2.9 寄生参数的影响 10

1.2.10 高频率开关时产生的问题 11

1.2.11 可靠性、使用寿命和热管理 12

1.2.12 降低应力 14

1.2.13 技术进步 14

1.3 认识电感 15

1.3.1 电容/电感和电压/电流 15

1.3.2 电感电容充电/放电电路 15

1.3.3 能量守恒定律 16

1.3.4 充电阶段及感应电流理论 17

1.3.5 串联电阻对时间常数的影响 18

1.3.6 R=0时电感充电电路及电感方程 19

1.3.7 对偶原理 20

1.3.8 电容方程 20

1.3.9 电感放电阶段 21

1.3.10 反馈能量和续流电流 22

1.3.11 电流必须连续而其变化曲线斜率不必连续 22

1.3.12 电压反向现象 22

1.3.13 功率变换器的稳定状态及不同工作模式 24

1.3.14 伏秒法则、电感复位和变换器占空比 27

1.3.15 半导体开关的使用及保护 28

1.4 电源拓扑的衍生 29

1.4.1 通过二极管控制感应电压尖峰 29

1.4.2 达到稳定状态并输出有用能量 30

1.4.3 buck?boost变换器 31

1.4.4 电路地参考点 32

1.4.5 buck?boost变换器的结构 33

1.4.6 开关节点 33

1.4.7 buck?boost电路分析 34

1.4.8 buck?boost电路的性质 35

1.4.9 为什么只有三种基本拓扑 36

1.4.10 boost拓扑 37

1.4.11 buck拓扑 40

1.4.12 高级变换器设计 41

第2章 DC?DC变换器设计与磁学基础 42

2.1 直流传递函数 43

2.2 电感电流波形的直流分量和交流纹波 44

2.3 交流电流、直流电流和峰值电流的确定 46

2.4 认识交流电流、直流电流和峰值电流 47

2.5 最“恶劣”输入电压的确定 49

2.6 电流纹波率r 51

2.7 r与电感量的关系 52

2.8 r的最佳值 52

2.9 电感量与电感体积的关系 54

2.10 频率对电感量和电感体积的影响 54

2.11 负载电流对电感量和电感体积的影响 55

2.12 供应商标定成品电感额定电流的方式及成品电感选择 55

2.13 在给定应用中我们需要考虑哪些电感电流额定值 56

2.14 电流限制的范围和容限 58

2.15 实际例子(1) 60

2.15.1 设置r时需考虑电流限制 61

2.15.2 确定r需考虑的连续导电模式 62

2.15.3 当用低ESR电容时应将r设置得大于0.4 64

2.15.4 设置r时应避免装置不平衡 64

2.15.5 设置r应避免次谐波震荡 66

2.15.6 用“L×I”和“负载缩放比例”法则快速选择电感 68

2.16 实际例子(2、3和4) 69

2.16.1 强迫连续模式(FCCM)中的电流纹波率 70

2.16.2 基本磁学定义 71

2.17 实际例子(5)——不增加线圈匝数 73

2.17.1 “磁场纹波率” 74

2.17.2 与伏秒数相关的受控电压方程(MKS单位制) 74

2.17.3 CGS单位制 75

2.17.4 与伏秒数相关的受控电压方程(CGS单位制) 75

2.17.5 磁心损耗 75

2.18 实际例子(6)——特定场合中产品电感的特性 77

2.18.1 估计必要条件 77

2.18.2 电流纹波率 78

2.18.3 峰值电流 79

2.18.4 磁通密度 79

2.18.5 线圈损耗 80

2.18.6 磁心损耗 81

2.18.7 温升 81

2.19 计算其他最恶劣应力 82

2.19.1 最恶劣磁心损耗 82

2.19.2 二极管最恶劣损耗 83

2.19.3 开关管最恶劣损耗 83

2.19.4 输出电容最恶劣损耗 85

2.19.5 输入电容最恶劣损耗 85

第3章 离线式变换器设计与磁学技术 88

3.1 反激变换器磁学技术 89

3.1.1 变压器绕组极性 89

3.1.2 反激变换器中变压器功能及其占空比 90

3.1.3 等效的buck-boost模型 92

3.1.4 反激变换器电流纹波率 94

3.1.5 漏感 94

3.1.6 齐纳管钳位损耗 95

3.1.7 二次漏感同样影响一次侧 95

3.1.8 有效一次漏感电感测量 96

3.1.9 实际例子(7)——反激变压器设计 96

3.1.10 导线规格与铜皮厚度选择 101

3.2 正激变换器磁学技术 104

3.2.1 占空比 105

3.2.2 最恶劣电压输入 107

3.2.3 窗口面积利用 108

3.2.4 磁心型号与其所通功率 109

3.2.5 实际例子(8)——正激变换器变压器设计 110

第4章 拓扑FAQ 123

问题与解答 123

第5章 导通损耗和开关损耗 140

5.1 开关接电阻性负载 140

5.2 开关接感性负载 143

5.3 开关损耗和导通损耗 146

5.4 建立MOSFET简化模型以研究感性负载时的开关损耗 147

5.5 变换系统中寄生电容的表示 148

5.6 门极开启电压 149

5.7 导通转换 149

5.8 关断转换 152

5.9 栅荷系数 152

5.10 实际例子 156

5.10.1 导通时 156

5.10.2 关断时 157

5.11 把开关损耗分析应用于开关拓扑 158

5.12 对开关损耗而言的最恶劣输入电压 159

5.13 开关损耗怎样随寄生电容变化 160

5.14 使驱动器相对于MOSFET性能最佳 161

第6章 印制电路板的布线 163

6.1 引言 163

6.2 布线分析 163

6.3 布线要点 164

6.4 散热问题 169

第7章 反馈环路分析及稳定性 170

7.1 传递函数、时间常数与强制函数 170

7.2 理解e及绘制对数坐标曲线 171

7.3 时域分析与频域分析 173

7.4 复数表示 173

7.5 非周期激励 174

7.6 s平面 175

7.7 拉普拉斯变换 176

7.8 扰动和反馈作用 178

7.9 RC滤波器的传递函数 179

7.10 积分运算放大器(零极点滤波器) 181

7.11 对数平面中的数学 183

7.12 LC滤波器的传递函数 183

7.13 无源滤波器传递函数小结 186

7.14 极点和零点 187

7.15 极点和零点的相互作用 188

7.16 闭环增益和开环增益 189

7.17 分压网络 191

7.18 PWM传递函数(增益) 192

7.19 电压前馈 193

7.20 主电路传递函数 194

7.21 所有拓扑的调节器传递函数 194

7.21.1 buck变换器 194

7.21.2 boost变换器 195

7.21.3 buck-boost变换器 197

7.22 反馈网络传递函数 198

7.23 闭环 200

7.24 环路稳定性判据 201

7.25 带积分器的开环波特图 201

7.26 抵消LC滤波器双重极点 203

7.27 ESR零点 203

7.28 3型运算放大器补偿网络的设计 204

7.29 反馈环路优化 207

7.30 输入纹波抑制 209

7.31 负载暂态 210

7.32 1型和2型补偿网络 211

7.33 跨导运算放大器补偿网络 211

7.34 简化跨导运算放大器补偿网络 215

7.35 电流模式控制补偿 217

第8章 EMI基础——从麦克斯韦方程到CISPR标准 224

8.1 标准 224

8.2 麦克斯韦到EMI 226

8.3 敏感度/抗扰性 230

8.4 一些与成本相关的经验 231

8.5 组件的EMI问题 231

8.6 CISPR 22对电信端口的规定——修订意见 232

第9章 传导EMI限值及测量 234

9.1 差模和共模噪声 234

9.2 如何测量传导EMI 236

9.3 传导发射限制 240

9.4 准峰值、平均值和峰值测试 242

第10章 实际的电源输入EMI滤波器 244

10.1 EMI滤波器设计的安全问题 244

10.2 实际的电源输入滤波器 246

10.3 Y电容总容量的安规限制 251

10.4 等效DM和CM电路 252

10.5 一些重要的EMI工程经验 254

第11章 开关电源的DM与CM噪声 255

11.1 主要DM噪声源 255

11.2 主要CM噪声源 256

11.3 地电抗器 263

第12章 电路板EMI解决方案 264

12.1 变压器的EMI问题 264

12.2 二极管的EMI问题 269

12.3 磁珠的工程应用——抑制肖特基二极管的dV/dt 270

12.4 基本布线方案 271

12.5 最后的EMI抑制措施 272

12.6 能否通过辐射测试 274

第13章 EMI滤波器的输入电容和稳定性 275

13.1 DM扼流环是否饱和 275

13.2 DC-DC变换器模块的实用电网滤波器 278

第14章 电磁难题的数学基础知识 284

14.1 数学基础知识之傅里叶级数 284

14.2 矩形波 285

14.3 矩形波分析 287

14.4 梯形波 288

14.5 梯形波的EMI问题 290

14.6 高性价比滤波器的设计 291

14.7 实际DM滤波器设计 293

14.8 实际CM滤波器设计 295

14.8.1 第一种方法(快速) 295

14.8.2 第二种方法(详细法) 296

附录1 聚焦实际问题 298

附录2 设计参考表 330

参考文献 332

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