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第1章 基本DC-DC变换器原理1

1.1 Buck变换器1

1.1.1 工作原理3

1.1.2 占空比D与输出电压Uo4

1.1.3 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响5

1.1.4 电感、开关管及续流二极管电流6

1.1.5 最小电感量L8

1.1.6 负载变化对电感电流的影响8

1.2 Boost变换器9

1.2.1 工作原理10

1.2.2 占空比D11

1.2.3 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响11

1.2.4 电感、开关管及续流二极管电流12

1.2.5 负载变化对电感电流的影响13

1.3 Buck-Boost变换器14

1.3.1 工作原理14

1.3.2 占空比D15

1.3.3 电感、开关管及续流二极管电流15

1.3.4 输入电压UIN变化对电感峰值电流的影响16

1.3.5 负载变化对电感电流的影响17

1.4 三种基本DC-DC变换器特性比较18

1.5 DC-DC变换器电流纹波系数γ的选择19

1.6 输出滤波电容选择19

1.6.1 输出滤波电容因ESR电阻引起的输出电压波动20

1.6.2 对输出电容C充放电引起的输出电压波动21

第2章 DC-DC变换器储能电感设计25

2.1 设计过程涉及到的电磁学知识25

2.2 电感存储能量与电感磁芯体积之间的关系26

2.3 储能电感AP法公式推导27

2.4 磁芯气隙设置28

2.4.1 在闭合磁路中开气隙的必要性28

2.4.2 气隙位置29

2.4.3 无气隙磁芯相对磁导率与电感系数29

2.4.4 带气隙磁芯的有效磁导率30

2.5 DC-DC变换器储能电感磁芯体积选择依据32

2.5.1 Buck-Boost反激变换器磁芯体积估算32

2.5.2 Buck变换器电感磁芯体积估算34

2.5.3 Boost变换器电感磁芯体积估算35

2.6 绕线匝数与线径规划35

2.6.1 最小匝数N35

2.6.2 趋肤效应与线径d36

2.6.3 估算绕线窗口利用率37

2.7 磁芯气隙长度计算38

2.7.1 气隙截面积Aδ的计算38

2.7.2 带气隙磁芯的电感量L与气隙长度δ的计算38

2.7.3 气隙长度δ计算步骤39

2.8 磁芯选择40

2.8.1 磁芯材料40

2.8.2 磁芯形态选择40

2.8.3 磁芯参数42

2.9 电感线圈绕制44

2.10 输出电压的选择45

2.11 Buck变换器设计举例46

第3章 其他形式DC-DC变换器原理与设计50

3.1 Cuk变换器50

3.1.1 工作原理50

3.1.2 耦合电容电压、输出电压及占空比53

3.1.3 导通及截止期间两电感电压关系54

3.1.4 电流关系54

3.1.5 设计步骤55

3.2 SEPIC变换器58

3.2.1 工作原理58

3.2.2 占空比与输出电压60

3.2.3 导通及截止期间两电感电压关系60

3.2.4 电流关系61

3.2.5 设计步骤61

3.3 Zeta变换器64

3.4 输入与输出不共地的Buck变换器65

3.5 驱动方便的Buck-Boost变换器66

第4章 反激变换器原理与设计68

4.1 工作原理68

4.1.1 简化电路及波形70

4.1.2 等效电路71

4.1.3 占空比D及输出电压Uo72

4.2 漏感能量吸收回路73

4.2.1 RCD钳位电路工作原理74

4.2.2 RCD吸收回路损耗与参数计算76

4.2.3 RCD参数计算过程及实例78

4.2.4 RCD吸收电路的局限性79

4.2.5 减小漏感能量吸收回路损耗方法80

4.3 反激变换器设计要领81

4.3.1 反射电压UOR、钳位电压Uz和最大占空比Dmax的关系81

4.3.2 反激变换器电流纹波比的折中选择83

4.3.3 磁芯几何参数选择策略84

4.3.4 反激变换器各绕组顺序规划85

4.3.5 屏蔽绕组设置与连接90

4.3.6 骨架引脚分配规划90

4.3.7 变压器或电感绕线工艺图91

4.4 CCM模式下反激变换器设计过程92

4.4.1 储能变压器及开关管等关键元件参数计算93

4.4.2 多输出绕组反激变换器参数计算97

4.5 常见的次级输出电路99

4.5.1 恒压输出电路99

4.5.2 恒流输出电路102

4.6 双管反激变换器105

4.6.1 工作原理105

4.6.2 优缺点及使用条件106

4.6.3 设计过程107

4.7 DCM模式反激变换器107

4.7.1 DCM模式反激变换器电流电压关系109

4.7.2 PWM调制DCM模式反激变换器特征110

4.8 准谐振（OR）反激变换器111

4.8.1 准谐振反激变换器原理112

4.8.2 开关频率限制策略113

4.8.3 准谐振反激变换器关键参数计算114

4.9 原边反馈（PSR）反激变换器118

4.9.1 输出电压检测及CV原理119

4.9.2 输出电流检测及CC原理120

4.9.3 PSR反激变换器特征及其组合120

4.10 反激变换器调试121

第5章 输入通道123

5.1 EMI干扰与输入电路形式123

5.1.1 EMI基本概念及产生原因123

5.1.2 EMI信号度量单位及限制124

5.1.3 输入电路形式125

5.2 整流电路126

5.3 工频滤波电路127

5.3.1 输入滤波电容容量的经验值127

5.3.2 输入市电周期完整时的最小滤波电容128

5.3.3 输入市电周期不完整对应的最小电压决定的最小滤波电容129

5.3.4 由纹波电流决定的最小滤波电容130

5.4 输入保护电路131

5.4.1 保险丝（管）131

5.4.2 防雷击元件132

5.5 功率型NTC电阻133

5.6 EMI滤波电路134

5.6.1 安规电容滤波136

5.6.2 EMI滤波电感设计138

第6章 PWM控制芯片139

6.1 电压型控制139

6.2 电流型控制141

6.2.1 峰值电流控制141

6.2.2 峰值电流型控制器次谐振现象与斜坡补偿电路143

6.2.3 平均电流型控制145

6.2.4 电流滞环型控制146

6.3 电流型PWM控制器典型芯片146

6.3.1 启动电路147

6.3.2 时钟电路149

6.3.3 斜坡电压取样电阻Rs的确定151

6.3.4 典型应用电路151

6.4 峰值电流型PWM控制芯片新技术154

6.4.1 FAN6757芯片内部结构框图154

6.4.2 FAN6757芯片主要特征156

6.4.3 保护功能161

第7章 功率因素校正（PFC）电路163

7.1 市电整流电容滤波电路电流波形特征163

7.2 非线性电路功率因素PF及总谐波失真度THD的定义164

7.2.1 非线性电路功率因素PF的定义165

7.2.2 非线性电路总谐波失真度THD165

7.2.3 低功率因素PF对电网的危害166

7.2.4 电器设备谐波标准166

7.3 AC-DC变换器功率因素校正（PFC）电路168

7.3.1 无源功率因素校正电路168

7.3.2 有源功率因素校正电路170

7.4 单相Boost APFC变换器概述170

7.4.1 DCM Boost PFC简介171

7.4.2 CCM Boost PFC简介172

7.5 BCM Boost APFC变换器173

7.5.1 电感峰值电流iLPK（t）与电源输入电流IIN（t）174

7.5.2 最小开关频率fSWmin的推导176

7.5.3 最小电感量的确定177

7.5.4 开关管电流与开关管导通损耗计算178

7.5.5 利用“体积-功率”法大致估算电感磁芯尺寸179

7.5.6 零电流检测辅助绕组匝数179

7.5.7 续流二极管电流180

7.5.8 由输出纹波电压决定的输出电容C大小的计算181

7.5.9 基于BCM模式Boost APFC设计实例181

7.5.10 基于FAN7930B控制芯片的APFC电路184

7.6 带PFC功能的单管反激变换器189

7.6.1 电感峰值电流iLPK（t）190

7.6.2 截止时间Toff与电源输入电流IIN（t）191

7.6.3 初级绕组峰值电流与最小电感量194

7.6.4 初级绕组电流有效值195

7.6.5 次级回路电流196

7.6.6 输出滤波电容C的选择与输出电压纹波197

7.6.7 全电压输入PFC反激变换器设计实例198

7.6.8 非全电压输入PFC反激变换器设计实例202

7.6.9 基于FAN7930控制芯片的单管反激PFC变换器204

7.6.10 APFC单管反激PFC变换器调试208

第8章 正激变换器209

8.1 正激变换器及其等效电路209

8.2 正激变换器磁通复位方式概述211

8.3 三绕组去磁复位正激变换器设计211

8.3.1 三绕组去磁复位正激变换器波形212

8.3.2 最恶劣条件213

8.3.3 最大占空比Dmax的限制213

8.3.4 在最小输入电压下确定变压器匝比n214

8.3.5 变压器参数选择215

8.3.6 三绕组去磁复位正激变换器设计实例218

8.4 二极管去磁双管正激变换器226

8.4.1 工作原理226

8.4.2 优缺点及设计227

8.4.3 驱动电路设计228

8.5 RCD吸收正激变换器230

8.5.1 激磁电流处于CCM模式231

8.5.2 激磁电流处于DCM模式233

8.6 谐振去磁正激变换器234

8.6.1 工作原理234

8.6.2 应用场合及设计237

8.7 常见去磁复位方式特性比较238

第9章 桥式变换器239

9.1 半桥变换器239

9.1.1 原理电路239

9.1.2 初级侧实际电路240

9.1.3 次级等效电路241

9.1.4 半桥变换器磁芯242

9.1.5 隔直电容C3参数计算举例244

9.2 全桥变换器245

9.3 半桥LLC谐振变换器结构及工作原理247

9.3.1 方波发生器248

9.3.2 输出整流滤波网络249

9.3.3 谐振网络250

9.3.4 半桥LLC谐振变换器等效电路250

9.3.5 半桥LLC谐振变换器工作区特征258

9.3.6 工作区选择策略261

9.3.7 半桥LLC谐振变换器稳压原理263

9.3.8 半桥LLC谐振变换器其他等效拓扑结构263

9.3.9 半桥LLC谐振变换器控制芯片简介264

9.4 半桥LLC谐振变换器设计264

9.4.1 电感比m及品质因素Q的选择265

9.4.2 允许开关频率fSW跨越ZVS区域1及ZVS区域2266

9.4.3 开关频率fsw≤fR（仅在ZVS区域1）270

9.4.4 开关频率fSW≥fR（仅在ZVS区域2）271

9.4.5 变压器制作272

第10章 同步整流技术275

10.1 同步整流原理276

10.2 同步整流MOS管驱动方式277

10.2.1 电压自驱动279

10.2.2 电流自驱动283

10.2.3 集成控制IC驱动284

第11章 环路稳定性设计287

11.1 概述287

11.1.1 二端口网络传递函数287

11.1.2 极点、零点概念及性质289

11.1.3 闭环控制及传递函数291

11.2 开关电源闭环控制292

11.2.1 闭环控制系统概述292

11.2.2 理想环路频率特性曲线293

11.2.3 输出取样点的选择294

11.3 反馈补偿网络传递函数294

11.3.1 Ⅰ型反馈补偿网络传递函数295

11.3.2 PI型反馈补偿网络传递函数296

11.3.3 Ⅱ型反馈补偿网络传递函数297

11.3.4 Ⅲ型反馈补偿网络传递函数298

11.3.5 基于跨导型运算放大器反馈补偿网络的传递函数300

11.4 TL431补偿网络传递函数302

11.4.1 基于Ⅱ型的补偿网络302

11.4.2 基于PI型补偿网络304

11.5 反激变换器环路设计306

11.5.1 CCM模式下反激变换器从控制到输出的传递函数306

11.5.2 CCM模式下反激变换器反馈补偿网络设计307

11.5.3 BCM及DCM模式下反激变换器从控制到输出的传递函数309

11.6 正激变换器环路设计312

11.7 BCM模式APFC变换器环路设计312

第12章 开关电源PCB设计314

12.1 与PCB设计相关的安规知识314

12.1.1 电器产品防电击设计分类315

12.1.2 电源产品执行的安规标准315

12.1.3 绝缘等级与安全间距316

12.2 PCB设计规则317

12.2.1 PCB板工艺规划319

12.2.2 AC输入滤波电路布局布线原则320

12.2.3 关键回路与节点走线322

12.2.4 地线处理327

12.3 PCB散热设计327

第13章 开关电源重要元器件及材料简介329

13.1 功率二极管329

13.1.1 功率二极管主要参数329

13.1.2 整流二极管开关特性及其损耗330

13.1.3 几种常见整流二极管特性332

13.2 功率MOS管333

13.2.1 功率MOS管主要参数333

13.2.2 功率MOS管开关特性及其损耗335

13.3 常用电容338

13.3.1 电解电容338

13.3.2 瓷片电容342

13.3.4 有机薄膜电容343

13.4 漆包线参数343

参考文献348