Switching Power Supplies A to Z

Switching  Power  Supplies  A  to  Z:This  page  intentionally  left  bank  Preface  xiAcknowledgements  xviiChapter  1:  The  Principles  of  Switching  Power  Conversion  1Introduction3Overview  and  Basic  Terminology  5Understanding  the  Inductor22Evolution  of  Switching  Topologies  43Chapter  2:  DC-DC  Converter  Design  and  Magnetics61DC  Transfer  Functions  64The  DC  Level  and  the  “Swing”  of  the  Inductor  Current  Waveform  65Defining  the  AC,  DC,  and  Peak  Currents  68Understanding  the  AC,  DC  and  Peak  Currents  70Defining  the  “Worst-case”  Input  Voltage72The  Current  Ripple  Ratio  ‘r’  75Relating  r  to  the  Inductance  75The  Optimum  value  of  r  77Do  We  Mean  Inductor?  Or  Inductance?  79How  Inductance  and  Inductor  Size  Depend  on  Frequency  80How  Inductance  and  Inductor  Size  Depend  on  Load  Current  80How  Vendors  Specify  the  Current  Rating  of  an  Off-the-shelf  Inductor  andHow  to  Select  It  81What  Is  the  Inductor  Current  Rating  We  Need  to  Consider  for  a  Given  Application?  82The  Spread  and  Tolerance  of  the  Current  Limit  85Worked  Example  (1)88Worked  Examples  (2,  3,  and  4)  100Worked  Example  (5)  —  When  Not  to  Increase  the  Number  of  Turns  106Worked  Example  (6)  —  Characterizing  an  Off-the-shelf  Inductor  in  aSpecific  Application  110Calculating  the  “Other”  Worst-case  Stresses  118Chapter  3:  Off-line  Converter  Design  and  Magnetics  127Flyback  Converter  Magnetics  130Forward  Converter  Magnetics  152Chapter  4:  The  Topology  FAQ  177Questions  and  Answers  179Chapter  5:  Conduction  and  Switching  Losses  203Switching  a  Resistive  Load  206Switching  an  Inductive  Load  210Switching  Losses  and  Conduction  Loss  213A  Simplified  Model  of  the  Mosfet  for  Studying  Inductive  SwitchingLosses  215The  Parasitic  Capacitances  Expressed  in  an  Alternate  System  217Gate  Threshold  Voltage  218The  Turn-on  Transition  218The  Turn-off  Transition  222Gate  Charge  Factors  224Worked  Example  227Applying  the  Switching  Loss  Analysis  to  Switching  Topologies  231Worst-case  Input  Voltage  for  Switching  Losses  232How  Switching  Losses  Vary  with  the  Parasitic  Capacitances  233Optimizing  Driver  Capability  vis-à-vis  Mosfet  Characteristics  234Chapter  6:  Printed  Circuit  Board  Layout  237Introduction239Trace  Section  Analysis  239Some  Points  to  Keep  in  Mind  During  Layout  240Thermal  Management  Concerns  247Chapter  7:  Feedback  Loop  Analysis  and  Stability  249Transfer  Functions,  Time  Constant  and  the  Forcing  Function  251Understanding  ‘e’  and  Plotting  Curves  on  Log  Scales  252Time  Domain  and  Frequency  Domain  Analysis  255Complex  Representation  256Nonrepetitive  Stimuli  258The  s-plane  258Laplace  Transform  260Disturbances  and  the  Role  of  Feedback262Transfer  Function  of  the  RC  Filter  264The  Integrator  Op-amp  (“pole-at-zero”  filter)  267Mathematics  in  the  Log  Plane  269Transfer  Function  of  the  LC  Filter  270Summary  of  Transfer  Functions  of  Passive  Filters  273Poles  and  Zeros  274Interaction  of  Poles  and  Zeros  276Closed  and  Open  Loop  Gain  277The  Voltage  Divider  280Pulse  Width  Modulator  Transfer  Function  (gain)  281Voltage  Feedforward282Power  Stage  Transfer  Function  283Plant  Transfer  Functions  of  All  the  Topologies  284Boost  Converter  286Feedback  Stage  Transfer  Functions  289Closing  the  Loop  291Criteria  for  Loop  Stability  293Plotting  the  Open-loop  Gain  and  Phase  with  an  Integrator  293Canceling  the  Double  Pole  of  the  LC  Filter  295The  ESR  Zero  296Designing  a  Type  3  Op-amp  Compensation  Network  297Optimizing  the  Feedback  Loop  301Input  Ripple  Rejection  304Load  Transients  305Type  1  and  Type  2  Compensations  306Transconductance  Op-amp  Compensation  308Simpler  Transconductance  Op-amp  Compensation311Compensating  with  Current  Mode  Control  313Chapter  8:  EMI  from  the  Ground  up—Maxwell  to  CISPR  323The  Standards  326Maxwell  to  EMI  328Susceptibility/Immunity  333Some  Cost-related  Rules-of-thumb  335EMI  for  Subassemblies  335CISPR  22  for  Telecom  Ports  —  Proposed  Changes  336Chapter  9:  Measurements  and  Limits  of  Conducted  EMI  339Differential  Mode  and  Common  Mode  Noise  341How  Conducted  EMI  Is  Measured  344The  Conducted  Emission  Limits  348Quasi-peak,  Average,  and  Peak  Measurements  351Chapter  10:  Practical  EMI  Line  Filters  355Safety  Issues  in  EMI  Filter  Design  357Practical  Line  Filters  359Safety  Restrictions  on  the  Total  Y-capacitance  367Equivalent  DM  and  CM  Circuits  368Some  Notable  Industry  Experiences  in  EMI  371Chapter  11:  DM  and  CM  Noise  in  Switching  Power  Supplies  373Main  Source  of  DM  Noise  375The  Main  Source  of  CM  Noise  377The  Ground  Choke  385Chapter  12:  Fixing  EMI  across  the  Board  387The  Role  of  the  Transformer  in  EMI  389EMI  from  Diodes  394Beads,  and  an  Industry  Experience  —  the  dV/dt  of  Schottky  Diodes  397Basic  Layout  Guidelines  398Last-ditch  Troubleshooting  399Are  We  Going  to  Fail  the  Radiation  Test?  402Chapter  13:  Input  Capacitor  and  Stability  Considerations  in  EMI  Filters  403Is  the  DM  Choke  Saturating?  405Practical  Line  Filters  in  DC-DC  Converter  Modules  410Chapter  14:  The  Math  behind  the  Electromagnetic  Puzzle417Math  Background  —  Fourier  Series  419The  Rectangular  Wave  420Analysis  of  the  Rectangular  Wave  423The  Trapezoid  424The  EMI  from  a  Trapezoid  426The  Road  to  Cost-effective  Filter  Design  427Practical  DM  Filter  Design  430Practical  CM  Filter  Design  433viiiAppendix  1:  Focusing  on  Some  Real-world  Issues  437Sounds  Like  Worst-case,  But  There’s  Danger  Lurking  in  the  Middle  439Loop  Design  Sometimes  Compensates  for  Lower-quality  Switchers  440Re-inventing  the  Wheel  as  a  Square  442The  Mighty  Zener  444Better  Do  the  Math:  Ignore  Transfer  Functions  at  Your  Own  Peril  447Aluminum  Cap  Multipliers  —  Why  We  Can’t  Have  Them  and  Eat  Them  Too  449Limit  Your  Peak  Current,  Not  Your  Reliability  452Reliability  Is  No  Flash  in  the  Pan  455The  Incredible  Shrinking  Core459Plain  Lucky  We  Don’t  Live  in  a  PSpice  World!  462Why  Does  the  Efficiency  of  My  Flyback  Nose-dive?  465It’s  Not  a  Straight  Line:  Computing  the  Correct  Drain  to  Source  Resistance  fromV-I  Curves  468Don’t  Have  a  Scope?  Use  a  DMM,  Dummy!  470Are  We  Making  Light  of  Electronic  Ballasts?  473More  on  Designing  Reliable  Electronic  Ballasts  476The  Organizational  Side  of  Power  Management:  One  Engineer’s  Perspective  480Appendix  2:  Reference  Design  Table  485