现代高频开关电源技术及应用电子书

现代高频开关电源技术及应用

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内容简介

前言

目录

第1章 引论

1.1 线性调节器式直流稳压电源与开关调节器式直流稳压电源

1.1.1 线性调节器式直流稳压电源

1.1.2 开关调节器式直流稳压电源

1.2 高频开关电源的诞生、结构和定义

1.2.1 高频开关电源的诞生过程

1.2.2 现代高频开关电源的定义和结构形式

1.3 开关电源的分类

1.4 对开关电源的要求与发展方向

1.5 高频化进程、推动发展的技术与研发趋势

1.5.1 开关电源高频化的历史进程

1.5.2 20世纪推动开关电源发展的主要技术

1.5.3 开关电源技术的研发趋势

参考文献

第2章 PWM DC/DC转换器

2.1 概述

2.1.1 PWM DC/DC转换器的定义与工作模式

2.1.2 PWM DC/DC转换器的工作原理

2.2 PWM DC/DC转换器电路与对偶

2.2.1 PWM DC/DC转换器的基本电路

2.2.2 PWM DC/DC转换器的等效电路

2.2.3 PWM DC/DC转换器的对偶

2.2.4 功率开关器件的对偶

2.3 隔离式PWM DC/DC转换器

2.3.1 单端隔离式PWM DC/DC转换器

2.3.2 正激式PWM DC/DC转换器

2.3.3 双管正激式PWM DC/DC转换器

2.3.4 反激式PWM DC/DC转换器

2.3.5 双端隔离式PWM DC/DC转换器

2.3.6 PWM DC/DC推挽转换器

2.3.7 PWM DC/DC半桥转换器和全桥转换器

2.3.8 隔离式PWM DC/DC转换器的比较

2.4 基本PWM DC/DC转换器的演化与级联

2.4.1 基本PWM DC/DC转换器的演化

2.4.2 基本PWM DC/DC转换器的级联

2.5 PWM DC/DC转换器模块

2.6 PWM DC/DC转换器所用元件及其特性

2.6.1 开关管

2.6.2 二极管

2.6.3 电感与电容

2.7 PWM DC/DC转换器的功能、组成与它们之间的关系

2.7.1 PWM DC/DC转换器的功能

2.7.2 PWM DC/DC转换器的组成

2.7.3 PWM DC/DC转换器之间的关系

参考文献

第3章 PWM DC/DC转换器的原理

3.1 Buck降压式PWM DC/DC转换器

3.1.1 主电路组成和控制方式

3.1.2 电感电流连续时Buck转换器的工作原理和基本关系

3.1.3 电感电流断续时Buck转换器的工作原理和基本关系

3.1.4 电感电流连续的边界

3.1.5 Buck降压式PWM DC/DC转换器的效率

3.2 Boost升压式PWM DC/DC转换器

3.2.1 主电路组成和控制方式

3.2.2 电感电流连续时Boost升压式PWM DC/DC转换器的工作原理和基本关系

3.2.3 电感电流断续时Boost升压式PWM DC/DC转换器的工作原理和基本关系

3.2.4 电感电流连续的边界

3.3 Buck－Boost升降压式PWM DC/DC转换器

3.3.1 主电路组成和控制方式

3.3.2 电流连续时Buck－Boost升压式PWM DC/DC转换器的工作原理和基本关系

3.3.3 电流断续时Buck－Boost转换器的工作原理和基本关系

3.3.4 电感电流连续的边界

3.4 Cuk PWM DC/DC转换器

3.4.1 主电路组成和控制方式

3.4.2 电流连续时Cuk转换器的工作原理和基本关系

3.4.3 电流断续时Cuk转换器的工作原理和基本关系

3.4.4 两个电感有耦合的Cuk转换器

3.5 Zeta PWM DC/DC转换器

3.5.1 主电路组成和控制方式

3.5.2 电流连续时Zeta转换器的工作原理和基本关系

3.5.3 电流断续时Zeta转换器的工作原理和基本关系

3.6 SEPIC PWM DC/DC转换器

3.6.1 主电路组成和控制方式

3.6.2 电流连续时SEPIC转换器的工作原理和基本关系

3.7 正激式（Forward）PWM转换器

3.7.1 主电路组成和控制方式

3.7.2 电流连续时正激式转换器的工作原理和基本关系

3.8 反激式（Flyback）PWM转换器

3.8.1 主电路组成和控制方式

3.8.2 电流连续时反激式转换器的工作原理和基本关系

3.8.3 电流断续时Flyback转换器的工作原理和基本关系

3.9 推挽式（Push－Pull）转换器

3.9.1 推挽式逆变器

3.9.2 推挽式PWM转换器

3.9.3 推挽式转换器的铁心偏磁

3.10 半桥式（Half－Bridge）PWM DC/DC转换器

3.10.1 半桥式逆变器

3.10.2 半桥式PWM DC/DC转换器

3.10.3 考虑漏感时半桥式PWM 转换器的工作原理

3.11 全桥式（Full－Bridge）转换器

3.11.1 全桥式逆变器

3.11.2 全桥式PWM DC/DC转换器

3.11.3 全桥式转换器中直流分量的抑制

3.12 双管正激式（Switchces Forward）PWM DC/DC转换器

3.12.1 两个双管正激式转换器的串联输入/并联输出

3.12.2 并联输入、同一滤波电感输出电路

3.12.3 双管正激式转换器的能量反馈电路

3.13 有源钳位正激式转换器

3.14 各种PWM DC/DC转换器的电路类型及特点比较

3.15 几种三电平转换器

3.15.1 基本型三电平转换器

3.15.2 隔离式三电平转换器

3.16 电能双向流动的PWM DC/DC转换器

3.16.1 基本双向转换器电路的构成

3.16.2 推挽式双向转换器电路的构成

参考文献

第4章 转换器的吸收电路与软开关技术

4.1 转换器中的吸收电路

4.1.1 吸收电路的作用

4.1.2 吸收电路的类型

4.1.3 关断吸收电路（turn－offSnubber）

4.1.4 开通吸收电路（turn－onSnubber）

4.1.5 组合吸收电路

4.1.6 LCD吸收电路

4.1.7 广义软开关技术

4.2 PWM DC/DC转换器的高频化与软开关技术

4.2.1 软开关技术与高频化

4.2.2 软开关技术的发展现状与分类

4.2.3 零电流开关和零电压开关

4.3 谐振转换器

4.3.1 串联谐振转换器和并联谐振转换器

4.3.2 串并联谐振转换器

4.3.3 ZCS/ZVS准谐振转换器

4.4 多谐振转换器

4.5 ZCS－PWM转换器

4.5.1 工作原理

4.5.2 参数设计

4.5.3 ZCS－PWM转换器的基本电路族及优、缺点

4.6 ZVS PWM转换器

4.6.1 工作原理

4.6.2 参数设计

4.7 零电压转换（ZVT）PWM转换器

4.7.1 工作原理

4.7.2 辅助电路的参数设计

4.7.3 ZVTPWM转换器的基本电路族及优、缺点

4.8 改进型ZVT PWM转换器

4.8.1 工作原理

4.8.2 辅助电路的参数设计

4.8.3 改进型ZVTPWM转换器的基本电路族及其优点

4.9 零电流转换（ZCT）PWM转换器

4.9.1 工作原理

4.9.2 辅助支路的能量调节

4.9.3 参数设计

4.9.4 ZCTPWM转换器的基本电路族及其优、缺点

4.10 改进型ZCT PWM转换器

4.10.1 工作原理

4.10.2 参数设计

4.10.3 改进型ZCTPWM转换器的基本电路族及其优、缺点

参考文献

第5章 有源钳位技术与移相控制ZVS PWM转换器

5.1 有源钳位软开关转换技术

5.1.1 有源钳位正激转转换器

5.1.2 参数设计

5.2 有源钳位ZVS PWM正激式转换器

5.2.1 有源钳位ZVSPWM正激式转换器的工作原理

5.2.2 有源钳位ZVSPWM正激转式换器的优点

5.3 ZVT PWM正激式转换器

5.3.1 工作原理

5.3.2 参数设计

5.3.3 ZVTPWM正激式转换器的优、缺点

5.4 ZVT双管正激式转换器

5.4.1 工作原理

5.4.2 参数设计

5.4.3 ZVT双管正激式转换器的优点

5.5 ZCT双管正激式转换器

5.6 有源钳位反激式转换器

5.7 有源钳位反激－正激式转换器

5.8 移相控制ZVS PWM DC/DC全桥转换器

5.8.1 工作原理

5.8.2 两个桥臂实现ZVS的差异

5.8.3 实现ZVS的策略及次级占空比的丢失

5.8.4 整流二极管的换流

5.8.5 移相控制ZVSPWM DC/DC全桥转换器的特点与效率

5.9 移相控制ZVZCS－PWM DC/DC全桥转换器

5.9.1 工作原理

5.9.2 参数设计

5.9.3 移相控制ZVZCS－PWM DC/DC全桥转换器的优点与效率

5.10 移相控制ZCS－PWM DC/DC全桥转换器

5.10.1 工作原理

5.10.2 超前管和滞后管实现ZCS的差异

5.10.3 实现ZCS的策略及电流占空比的丢失

5.11 ZVS PWM二极管钳位三电平DC/DC转换器

5.11.1 工作原理

5.11.2 实现ZVS条件和次级占空比的丢失

5.11.3 特点和效率

参考文献

第6章 高频开关转换器中的磁性元件

6.1 概述

6.2 高频磁心的特性和参数

6.2.1 磁导率与常用参数式

6.2.2 磁滞回线

6.2.3 动态磁滞回线的测试

6.2.4 基本磁化曲线

6.2.5 不对称局部磁滞回线

6.2.6 伏秒积分

6.2.7 磁心损耗

6.3 磁性材料和磁心结构

6.3.1 开关电源常用的磁性材料

6.3.2 磁心结构形式（geometries）

6.4 电感

6.4.1 电感的基本公式和磁心气隙

6.4.2 电感元件储能与高频电感元件的等效电路模型

6.4.3 直流滤波电感

6.4.4 自饱和电感和可控饱和电感

6.5 变压器

6.5.1 励磁电感与漏电感

6.5.2 高频变压器模型

6.5.3 变压器的磁分析

6.5.4 平面变压器

6.5.5 空心PCB变压器

6.5.6 集成高频磁性元件

6.5.7 压电变压器

6.6 磁性元件中导体的集肤效应和邻近效应

6.6.1 集肤效应

6.6.2 邻近效应

6.7 高频变压器的设计方法

6.7.1 高频变压器的功率体积设计法

6.7.2 高频变压器的调整率体积法

6.7.3 高频变压器设计方法的例题

6.7.4 平面功率变压器的设计

6.8 电感器的设计方法

6.8.1 电感器的功率体积设计法

6.8.2 电感器的调整率体积设计法

6.8.3 无直流偏压的电感器设计

6.9 可饱和电感和磁放大器在开关转换器中的应用

6.9.1 可饱和电感基本物理特性及应用

6.9.2 磁放大器的基本原理及在转换器中的应用

6.9.3 可饱和电感与磁放大器的联合应用

参考文献

第7章 高频开关转换器的输出同步整流技术

7.1 输出功率整流二极管

7.1.1 功率整流二极管的模型及主要参数

7.1.2 输出整流用的几种快速开关二极管

7.2 同步整流技术

7.2.1 同步整流的基本工作原理

7.2.2 同步整流管的主要参数

7.3 同步整流的驱动方式与SR的控制时序

7.3.1 同步整流的驱动方式

7.3.2 SR的控制时序与同步整流电路

7.4 电压型自驱动方式与控制驱动方式

7.4.1 电压型自驱动方式

7.4.2 控制驱动方式

7.5 电流型自驱动方式与混合驱动方式

7.5.1 电流型自驱动方式

7.5.2 混合驱动方式

7.6 SR－Buck转换器

7.7 SR－正激式转换器

7.7.1 有磁复位绕组的SR－正激式转换器

7.7.2 SR－有源钳位正激式转换器

7.8 SR－反激式转换器

7.9 SR在DC/DC PWM转换器中的应用举例

7.9.1 全波SR在半桥式DC/DCPWM转换器中的应用举例

7.9.2 倍流SR在半桥式DC/DCPWM转换器中的应用举例

7.9.3 倍流SR在全桥式DC/DCPWM转换器中的应用举例

参考文献

第8章 有源功率因数校正技术

8.1 功率因数和功率因数校正的主要方法

8.1.1 输入功率因数

8.1.2 对输入端谐波电流的限制

8.1.3 提高输入功率因数的主要方法

8.1.4 有源功率因数校正法的分类

8.2 非线性电路的功率因数和THD

8.2.1 非线性电路功率因数的定义

8.2.2 PF与THD的关系

8.3 单相Boost PFC转换器

8.3.1 DCMBoostPFC转换器

8.3.2 CCMBoostPFC转换器

8.3.3 CRMBoostPFC转换器

8.3.4 BoostPFC电路的主要优、缺点

8.4 APFC的控制方法

8.4.1 电流峰值控制法

8.4.2 电流滞环控制法

8.4.3 平均电流控制法

8.5 PFC集成控制电路

8.5.1 UC3854A/B

8.5.2 UC3855A/B

8.5.3 L6561

8.6 单相反激式PFC转换器

8.6.1 CCM反激式PFC转换器

8.6.2 DCM反激式PFC转换器

8.6.3 反激式PFC转换器的优、缺点

8.7 单级单开关PFC转换器

8.7.1 集成PFC整流器－调节器

8.7.2 BIFRED转换器

8.7.3 BIBRED转换器

8.7.4 集成PFC整流器－调节器的优、缺点

8.7.5 变频控制

8.7.6 S4PFC正激式转换器

8.8 三相PFC转换器

8.8.1 三个单相BoostPFC转换器组成三相PFC整流器

8.8.2 三相单开关DCMBoost整流器

8.8.3 三相CCMBoost整流器

8.8.4 三相CCMBuck整流器

8.8.5 三相三电平BoostPFC转换器

8.8.6 空间相量控制

参考文献

第9章 高频开关转换器的控制电路与驱动电路

9.1 驱动电路

9.1.1 对驱动电路的要求

9.1.2 集成电路直接驱动

9.1.3 加入驱动功率放大级驱动

9.1.4 用变压器耦合驱动

9.1.5 光耦合器驱动器

9.2 PWM控制器

9.2.1 电压模式PWM控制器

9.2.2 电流模式PWM控制器

9.3 电压型控制

9.4 电流型控制

9.4.1 电流峰值控制

9.4.2 平均电流型控制

9.4.3 滞环电流型控制

9.5 电荷控制

9.6 单周期控制

9.7 前馈控制

9.8 数字控制（离散控制）

9.8.1 数字控制的特点

9.8.2 离散PID算法

9.8.3 改进的离散PID算法

9.9 控制电路与驱动电路的隔离方法

9.10 L5991电流模式控制芯片

9.10.1 L5991的功能及内部框图

9.10.2 典型应用

9.11 UCC38500控制芯片

9.11.1 UCC38500简介

9.11.2 UCC38500的实际应用

参考文献

第10章 开关电源设计中的两项新技术

10.1 智能功率开关

10.1.1 工作模式及主要性能

10.1.2 分类及工作原理

10.1.3 智能化的发展

10.2 智能功率开关IR4010的应用举例

10.2.1 IR4010功率开关的性能参数

10.2.2 应用电路举例

10.3 电压调整器模块VRM简介

10.4 低输入电压的VRM

10.4.1 SR－Buck转换器

10.4.2 多通道SR－Buck转换器

10.4.3 多通道SR－Buck转换器的设计考虑

10.5 高电压输入的VRM

10.6 元件和线路的寄生参数对VRM瞬态性能的影响

10.6.1 电容ESR和ESL的影响

10.6.2 改善VRM输出瞬态响应的办法

10.6.3 微处理器与VRM接口的仿真模型

参考文献

第11章 开关转换器并联系统的均流技术

11.1 开关转换器的并联

11.2 下垂法

11.3 主从均流法

11.4 自动均流法

11.5 按平均电流值自动均流法

11.6 热应力自动均流法

11.7 民主均流法

11.7.1 民主均流法的原理

11.7.2 UC3907均流控制器芯片

11.8 数字均流控制的实现

11.9 ISL6140热插拔芯片的应用

11.9.1 ISL6140芯片的功能简介

11.9.2 外围元件参数的计算

11.9.3 设计中应注意的几个问题

参考文献

第12章 开关电源的瞬态建模与分析

12.1 开关电源的瞬态建模分析

12.1.1 瞬态建模分析的目的

12.1.2 瞬态模型

12.2 状态空间平均法

12.2.1 基本概念

12.2.2 基本假设条件

12.2.3 分析方法和步骤

12.2.4 Boost转换器状态空间平均模型

12.3 PWM转换器频域模型

12.3.1 PWM转换器小信号等效电路规范型模型

12.3.2 Cuk转换器小信号等效电路的规范型模型

12.3.3 PWM转换器小信号等效电路的规范型模型参数

12.3.4 PWM转换器的传递函数

12.3.5 Buck－Boost转换器的传递函数

12.3.6 Buck族和Boost族PWM转换器

12.4 平均电路法

12.4.1 平均变量和平均电路

12.4.2 平均开关函数

12.4.3 开关网络的平均模型

12.4.4 三端PWM开关模型法

12.4.5 考虑寄生参数的PWM转换器平均电路的模型

参考文献

第13章 开关电源的频域分析与综合

13.1 时域分析简介

13.1.1 时域数学模型与系统的时域响应

13.1.2 自动调节系统的时域性能指标

13.1.3 时域法综合系统的步骤

13.2 频域模型分析

13.2.1 传递函数

13.2.2 频率响应

13.2.3 对数频率特性

13.2.4 拉普拉斯变换简表

13.3 开关电源系统的频域模型及分析

13.3.1 方块图

13.3.2 系统的稳定性和稳定裕量

13.3.3 频域性能指标

13.3.4 极点和零点

13.4 系统频率响应与瞬态响应的关系

13.4.1 频率尺度与时间尺度成反比

13.4.2 频段特征、频率特性与系统的关系

13.4.3 阻尼比ζ对系统瞬态响应的影响

13.5 电压型控制开关电源的频域模型

13.5.1 方块图与传递函数

13.5.2 抗电网电压扰动能力和抗负载扰动能力

13.6 电压控制器

13.6.1 电压控制器的传递函数与作用

13.6.2 补偿后电源系统的频率特性要求与控制器的类型

13.6.3 带积分环节的控制器与开关电源中控制器特性的分析举例

13.6.4 增设单极点、单零点或双极点、双零点的PI补偿网络

13.7 开关电源系统的频域设计（综合）

13.8 双环控制开关电源系统的瞬态建模分析

13.8.1 电流型控制的开关电源系统

13.8.2 Tellegen定理

13.8.3 Buck－Βoost开关转换器的传递函数

13.8.4 功率守恒建模方法

13.8.5 电流控制的开关电源系统的一般设计步骤

13.8.6 UPFBoostPWM转换器瞬态建模分析

13.9 非最小相位系统

13.9.1 最小相位系统与非最小相位系统的比较

13.9.2 非最小相位系统的物理特征

13.9.3 非最小相位系统的控制器设计

参考文献

第14章 开关电源的EMC设计、可靠性设计、热设计和最优设计与仿真

14.1 开关电源中的电磁干扰问题

14.1.1 开关电源产生电磁干扰的机理

14.1.2 开关电源的电磁噪声耦合通道特性

14.1.3 开关电源运行中的电磁、干扰及其抑制

14.2 开关电源的电磁兼容设计

14.2.1 输入端滤波器的设计

14.2.2 辐射EMI的抑制措施

14.2.3 传导干扰的解决方法

14.2.4 接地技术的应用

14.2.5 屏蔽技术、元件布局与印制电路板布线技术

14.3 开关电源的可靠性设计

14.3.1 可靠性的定义、指标及影响的因素

14.3.2 可靠性设计的原则与可靠性设计

14.4 开关电源的几种热设计方法

14.4.1 半导体器件的散热器设计

14.4.2 强制通风、金属PCB和元件布置

14.5 开关电源的最优设计

14.5.1 开关电源的性能指标及优化设计模型

14.5.2 设计变量和目标函数

14.5.3 约束

14.5.4 优化数学模型的一般形式及工程优化设计的特点

14.5.5 应用最优化方法的几个问题

14.6 开关电源的仿真

14.6.1 开关电源电路的仿真技术

14.6.2 用SPICE和PSPICE仿真开关电源

14.6.3 离散时域法仿真

参考文献

第15章 开关电源的设计与仿真举例及封装技术

15.1 反激式转换器的设计

15.1.1 电磁能量的存储与转换及变压器的储能能力

15.1.2 反激式转换器的同步整流

15.1.3 反激式转换器的设计方法举例

15.1.4 设计112W反激式变压器

15.1.5 反激式转换器的缓冲吸收电路设计

15.2 单端正激式转换器的设计

15.2.1 电感的最小值与最大值及多路输出

15.2.2 能量再生与同步整流

15.2.3 变压器设计与制作工艺

15.3 正激式PWM开关电源的SPICE仿真

15.4 推挽式PWM开关电源的PSPICE仿真及补偿网络参数优化选择

15.5 采用离散时域法仿真的计算举例

15.5.1 双环Boost开关稳压电源的仿真计算举例

15.5.2 单环正激式开关稳压电源的仿真计算举例

15.6 DC/DC桥式开关转换器的最优设计

15.6.1 开关、整流滤波电路的优化设计数学模型

15.6.2 变压器的优化设计数学模型

15.6.3 半桥式PWM开关转换器的优化设计

15.6.4 5V/500W DC/DC半桥PWM开关转换器的优化设计

15.6.5 DC/DC全桥ZVS－PWM转换器主电路的优化设计

15.7 开关电源模块的封装设计

15.7.1 平面金属化封装技术

15.7.2 集成分布开关电源系统DPS的封装举例

参考文献

第16章 电子镇流器与便携式电子设备的低压输入电压转换器

16.1 电子镇流器

16.1.1 交流驱动的荧光灯与荧光灯的伏安特性

16.1.2 电子镇流器电路

16.2 电流馈电式电路

16.2.1 电流馈电式推挽电路

16.2.2 推挽式电路的电压和电流

16.2.3 电流馈电电路中的“电流馈电”电感

16.2.4 电流馈电电感的磁心选择

16.2.5 电流馈电电感绕组的设计

16.2.6 电流馈电电路中的铁氧体磁心变压器

16.2.7 电流馈电电路中的环形磁心变压器

16.3 电压馈电式电路与电流馈电并联谐振半桥电路

16.3.1 电压馈电推挽式电路

16.3.2 电压馈电串联谐振半桥电路

16.3.3 电流馈电并联谐振半桥电路

16.3.4 电子镇流器的封装

16.4 用于便携式电子设备的低压输入电压转换器

16.4.1 电容充电泵集成块

16.4.2 开关式集成块

16.4.3 MAX863芯片的应用

16.4.4 MAX624芯片的应用及设计方法

参考文献