實用開關電源設計

第1章　緒論　1
1.1　電源　1
1.1.1　實驗室電源　1
1.1.2　交流電源　2
1.1.3　蓄電池　3
1.1.4　太陽能電池　5
1.2　負載　6
1.2.1　高速的要求　6
1.2.2　低噪聲要求　8
1.2.3　再談蓄電池　9
1.2.4　電話機　9
1.2.5　日光燈管　10
1.2.6　其他變換器　11
1.3　安全　11
第2章　電路拓撲的實用選擇　15
2.1　引言：電路拓撲多達上百種　15
2.2　一般性考慮　15
2.2.1　升壓或者降壓　15
2.2.2　占空比的實際限制　16
2.2.3　多少組輸出　16
2.2.4　隔離　17
2.2.5　EMI　17
2.2.6　選用雙極型晶體管還是MOSFET　17
2.2.7　連續(xù)和斷續(xù)　18
2.2.8　同步整流　18
2.2.9　電壓模式控制和電流模式控制　19
2.2.10　結(jié)論　20
2.3　buck變換器　20
2.3.1　限制　20
2.3.2　門極驅(qū)動困難　21
2.4　反激式變換器　23
2.4.1　兩種形式　23
2.4.2　與升壓電路名字的混淆　24
2.4.3　連續(xù)和斷續(xù)　24
2.4.4　電容的限制　24
2.4.5　輸出功率限制　25
2.4.6　輸出繞組的限制　25
2.5　buck-boost變換器　26
2.6　正激式變換器　27
2.6.1　最小負載　27
2.6.2　漏感　28
2.6.3　總結(jié)　28
2.7　推挽變換器　28
2.7.1　電壓型　29
2.7.2　電流型　29
2.7.3　變壓器的利用率　30
2.8　諧振變換器和軟開關變換器　30
2.8.1　諧振變換器和軟開關變換器的區(qū)別　31
2.8.2　為什么不選用諧振變換器　31
2.8.3　為什么要選用軟開關變換器　31
2.9　復合變換器　32
參考文獻　33
第3章　元器件的實用選擇　35
3.1　引言　35
3.2　電阻　35
3.2.1　阻值　35
3.2.2　電阻的類型　36
3.2.3　容差　36
3.2.4　選擇比率　37
3.2.5　最大電壓　37
3.2.6　溫度系數(shù)　37
3.2.7　額定功率　37
3.2.8　無感線繞電阻　40
3.2.9　分流器　40
3.2.10　布線電阻　40
3.3　電容器及其用法　41
3.3.1　電容器的種類　41
3.3.2　標準值　41
3.3.3　容差　42
3.3.4　ESR和功率損耗　42
3.3.5　老化　43
3.3.6　dV/dt　43
3.3.7　電容的串聯(lián)　43
3.4　肖特基二極管　44
3.5　整流二極管　44
3.5.1　反向恢復　45
3.5.2　越快越好嗎　45
3.6　晶體管：BJT　46
3.6.1　脈沖電流　46
3.6.2　放大倍數(shù)可以用多大　46
3.6.3　不要忽略集電極漏電流　46
3.6.4　發(fā)射極-基極之間的齊納擊穿——這是否是壞事　46
3.6.5　快速關斷　47
3.7　晶體管：MOSFET　47
3.7.1　不要混淆JFET和MOSFET　47
3.7.2　P溝道和N溝道　48
3.7.3　雙向?qū)ā?8
3.7.4　計算損耗：導通損耗　48
3.7.5　計算損耗：門極充電損耗　49
3.7.6　計算損耗：開關損耗　49
3.7.7　需要門極電阻　49
3.7.8　最大門極電壓　50
3.8　運算放大器　50
3.8.1　失調(diào)：輸入失調(diào)電壓　50
3.8.2　失調(diào)：輸入失調(diào)電流　51
3.8.3　失調(diào)：輸入偏置電流　51
3.8.4　失調(diào)控制　51
3.8.5　大電阻的限制　52
3.8.6　增益帶寬　53
3.8.7　相移　54
3.8.8　電壓上升率　54
3.9　比較器　54
3.9.1　磁滯效應　54
3.9.2　輸出飽和電壓　55
參考文獻　56
第4章　儀器的實用指導　57
4.1　引言　57
4.2　計算器和計算方法　57
4.2.1　有效數(shù)字位數(shù)　57
4.2.2　是否在乎　58
4.2.3　一個密切相關的問題　58
4.2.4　另外一個需要避免的問題　58
4.3　數(shù)字萬用表和其他儀表　59
4.3.1　精度和準確度　59
4.3.2　平均　59
4.3.3　數(shù)字萬用表如何濾波　59
4.3.4　測量有效值和數(shù)字萬用表的帶寬　60
4.3.5　測量效率：交叉校正　60
4.3.6　怎樣放置探針　61
4.3.7　測量低阻值的電阻　62
4.3.8　用分流器測量大于10A的電流　62
4.3.9　怎樣用數(shù)字萬用表測量MOSFET　62
4.4　電子負載　63
4.4.1　為什么穩(wěn)定的變換器會出現(xiàn)振蕩　63
4.4.2　最小輸入電壓　63
4.5　示波器　63
4.6　網(wǎng)絡分析儀　64
4.7　奈奎斯特圖　67
第5章　磁性元件的實用設計　69
5.1　磁的基礎知識　69
5.1.1　引言　69
5.1.2　安培定律　69
5.1.3　法拉第定律　70
5.1.4　關于電感　71
5.1.5　混亂的單位　71
5.1.6　神秘的詞：三個“R"　72
5.2　理想變壓器　73
5.3　實際變壓器　76
5.3.1　磁芯材料　78
5.3.2　飽和　78
5.3.3　磁芯的其他局限　79
5.3.4　優(yōu)化設計　80
5.4　直流電感的實際設計　81
5.4.1　選擇磁芯　81
5.4.2　第一次嘗試　81
5.4.3　第二次嘗試　86
5.4.4　選擇導線　87
5.4.5　電阻的計算　89
5.4.6　功率損耗　89
5.4.7　和溫度有關　91
5.4.8　結(jié)論　92
5.5　反激式變壓器的設計實例　92
5.5.1　反激式變壓器的主要方程　92
5.5.2　磁芯材料類型的選擇　93
5.5.3　磁芯的選擇　94
5.5.4　磁芯材料的選擇　96
5.5.5　氣隙的選擇　98
5.5.6　磁芯損耗　101
5.5.7　怎么運用磁性材料性能圖表　101
5.5.8　降低開關頻率可否降低磁芯損耗　103
5.5.9　繞組損耗　104
5.5.10　是否要考慮趨膚效應　105
5.5.11　銅耗與變壓器總損耗　106
5.5.12　磁感應強度有兩個公式嗎　107
5.6　正激式變換器的設計實例　108
5.6.1　匝數(shù)比=1∶1　108
5.6.2　匝數(shù)比=2∶1　109
5.6.3　匝數(shù)比=3∶1　109
5.6.4　匝數(shù)比=4∶1　109
5.7　電流互感器的設計實例　110
5.8　可批量生產(chǎn)的磁性元件設計技術　112
5.8.1　導線的粗細　112
5.8.2　導線粗細比率　113
5.8.3　環(huán)形磁芯繞線的限制　113
5.8.4　膠帶與導線的絕緣　113
5.8.5　分層　114
5.8.6　繞組的數(shù)目　114
5.8.7　密封　114
5.8.8　技術規(guī)格書　115
5.9　結(jié)論　115
參考文獻　116
第6章　實用反饋設計　117
6.1　引言　117
6.2　復習　117
6.2.1　對數(shù)和分貝　117
6.2.2　復數(shù)　118
6.2.3　復函數(shù)　119
6.2.4　什么是函數(shù)變換　120
6.2.5　兩種函數(shù)變換　120
6.2.6　兩種變換有什么區(qū)別　120
6.2.7　電容C和電感L的變換　121
6.3　傳遞函數(shù)　121
6.3.1　什么是傳遞函數(shù)以及什么時候使用傳遞函數(shù)　121
6.3.2　傳遞函數(shù)的合成法則　122
6.3.3　非線性系統(tǒng)沒有(有用的)函數(shù)變換　124
6.4　基本的控制理論　124
6.4.1　波特圖　125
6.4.2　穩(wěn)定的要求　126
6.4.3　需要多少相位裕度系統(tǒng)才能穩(wěn)定　129
6.4.4　增益裕度　129
6.4.5　關于條件穩(wěn)定　129
6.4.6　小信號和大信號穩(wěn)定　130
6.5　如何讓電壓型buck變換器穩(wěn)定　131
6.5.1　如何測量開環(huán)響應　132
6.5.2　威納波爾的K-因子環(huán)路補償法　134
6.5.3　實際需要考慮的問題　137
6.5.4　其他方面的評價　138
6.5.5　如何測量閉環(huán)響應　138
6.5.6　測量：變壓器法　139
6.5.7　測量：信號迭加　140
6.5.8　變換器的閉環(huán)　141
6.5.9　不要用錯誤的方法測量環(huán)路　142
6.5.10　測量開環(huán)的更好方法　142
6.5.11　誤差放大器同相端沒有引出腳時的處理方法　144
6.6　電流模式控制　145
6.6.1　原理　145
6.6.2　電流模式控制的局限性　145
6.6.3　斜坡補償　146
6.6.4　如何補償電流模式控制器　147
6.6.5　電流環(huán)能否測量　147
6.6.6　平均電流模式控制　148
6.7　無最小相位系統(tǒng)　148
6.8　系統(tǒng)穩(wěn)定的一些概念　151
6.8.1　輸入和輸出阻抗　151
6.8.2　變換器的輸出阻抗　153
6.8.3　兩個穩(wěn)定的變換器可以組成一個不穩(wěn)定系統(tǒng)　154
6.8.4　不穩(wěn)定系統(tǒng)實例　155
6.9　關于仿真的一些想法　156
參考文獻　157
第7章　實用控制和監(jiān)控電路設計　159
7.1　控制電路　159
7.1.1　啟動　159
7.1.2　軟啟動　161
7.1.3　時序　161
7.1.4　反饋　162
7.1.5　限流　163
7.1.6　開關頻率　164
7.1.7　同步　164
7.2　監(jiān)控電路　166
7.2.1　如何監(jiān)控電壓　166
7.2.2　電壓基準　166
7.2.3　在沒有負電源供電時如何監(jiān)控一個負電壓　167
7.2.4　為何需要采用滯環(huán)比較器　167
7.2.5　電阻與分流器　168
7.2.6　差分放大器　168
7.2.7　補償分流器的電感　170
7.2.8　故障應為低電平　170
7.2.9　驅(qū)動紅色LED　171
第8章　實用效率和熱管理　173
8.1　效率　173
8.1.1　定義　173
8.1.2　效率的重要性　173
8.1.3　模塊　173
8.1.4　90%的效率已經(jīng)相當出色　174
8.1.5　計算實例1　174
8.1.6　計算實例 2　181
8.1.7　提高效率　182
8.2　熱管理　183
8.2.1　元件壽命與溫度　183
8.2.2　模塊　184
8.2.3　美國軍標MIL-HDBK-217　184
8.2.4　MIL-HDBK-217標準：舉例　184
8.2.5　MIL-HDBK-217標準：討論　187
8.2.6　溫度計算　187
8.2.7　散熱器等　188
8.2.8　有限元分析　189
參考文獻　190
第9章　實用EMI控制方法　191
9.1　概述　191
9.1.1　輻射和傳導　191
9.1.2　輻射噪聲的處理辦法　192
9.1.3　外殼材料　193
9.1.4　共模和差?！?93
9.1.5　地線和大地　193
9.1.6　軍用和商用測試方法　194
9.2　如何從差模中分離共模　194
9.3　噪聲來源　196
9.3.1　開關波形　196
9.3.2　電容耦合　196
9.4　布板　197
9.4.1　信號地和功率地　198
9.4.2　大電流驅(qū)動電路接地，獨立地線　200
9.4.3　器件只有輸入信號，沒有信號地線的情況　200
9.4.4　電流互感器的位置　201
9.4.5　反饋信號線　202
9.4.6　布板提示　202
9.5　低頻濾波　203
9.5.1　基本知識　203
9.5.2　差模濾波　203
9.5.3　商用與軍用　203
9.5.4　參數(shù)選取　204
9.5.5　共模濾波　204
9.5.6　參數(shù)選取　205
9.5.7　電感、電容及其缺點　205
9.5.8　MOV(壓敏電阻)存在電容　206
9.5.9　單個元件的價格獲得兩個元件的效果　206
9.5.10　不可能獲得100dB的衰減　206
9.6　高頻濾波　207
9.6.1　何處使用磁珠　207
9.6.2　旁路電容　207
9.7　其他相關主題　208
9.7.1　噪聲估算　208
9.7.2　最優(yōu)濾波　208
9.8　最優(yōu)軍用EMI濾波器設計　209
9.9　EMI濾波與變換器穩(wěn)定性　211
參考文獻　212
第10章　實用最差情況分析方法　213
10.1　概述　213
10.1.1　最差情況分析的目的　213
10.1.2　如何進行WCA　213
10.1.3　應力分析的目的　214
10.1.4　有效值與最差情況　214
10.1.5　數(shù)學方法與仿真　215
10.1.6　蒙特卡羅分析或靈敏度分析　215
10.2　舉例　216
10.2.1　電路　216
10.2.2　需要分析的特性　216
10.2.3　表格評估方法　217
10.2.4　WCA：比較器動作電平　219
10.2.5　WCA：雙極型晶體管正常情況關斷　221
10.2.6　WCA：PWM芯片關斷時間　222
10.2.7　應力分析　223
10.2.8　結(jié)論　224
10.3　結(jié)束語　224
附錄A　本書中采用的符號和縮寫列表　225
附錄B　最差情況分析使用的數(shù)據(jù)手冊　227
附錄C　電氣圖形符號對照表　243
索引　245