目　錄



第1章　開關(guān)功率變換原理　1

1.1　引言　1

1.2　概述和基本術(shù)語　2

1.2.1　效率　2

1.2.2　線性調(diào)整器　4

1.2.3　利用開關(guān)器件提高效率　5 目　錄



第1章　開關(guān)功率變換原理　1

1.1　引言　1

1.2　概述和基本術(shù)語　2

1.2.1　效率　2

1.2.2　線性調(diào)整器　4

1.2.3　利用開關(guān)器件提高效率　5

1.2.4　半導(dǎo)體開關(guān)器件的基本類型　6

1.2.5　半導(dǎo)體開關(guān)器件并非理想器件　6

1.2.6　利用電抗元件提高效率　7

1.2.7　早期RC型開關(guān)調(diào)整器　8

1.2.8　LC型開關(guān)調(diào)整器　8

1.2.9　寄生參數(shù)的影響　9

1.2.10　高頻開關(guān)時(shí)的問題　10

1.2.11　可靠性、使用壽命和熱管理　11

1.2.12　應(yīng)力降額　12

1.2.13　技術(shù)進(jìn)展　12

1.3　電感　13

1.3.1　電容、電感和電壓、電流　13

1.3.2　電感和電容的充放電電路　13

1.3.3　能量守恒定律　14

1.3.4　充電階段和感應(yīng)電壓概念　15

1.3.5　串聯(lián)電阻對時(shí)間常數(shù)的影響　16

1.3.6　R=0時(shí)的電感充電電路和電感方程　17

1.3.7　對偶原理　18

1.3.8　電容方程　19

1.3.9　電感放電階段　19

1.3.10　反激能量和續(xù)流電流　20

1.3.11　電流必須連續(xù)，但其變化率未必　20

1.3.12　電壓反向現(xiàn)象　20

1.3.13　功率變換中的穩(wěn)態(tài)及其不同工作模式　21

1.3.14　伏秒定律、電感復(fù)位和變換器的占空比　24

1.3.15　半導(dǎo)體開關(guān)器件的使用和保護(hù)　25

1.4　開關(guān)拓?fù)涞难葑儭?7

1.4.1　通過二極管續(xù)流控制感應(yīng)電壓尖峰　27

1.4.2　達(dá)到穩(wěn)態(tài)并獲得有用能量　28

1.4.3　升降壓變換器　29

1.4.4　電路的地參考點(diǎn)　30

1.4.5　升降壓變換器結(jié)構(gòu)　30

1.4.6　交換結(jié)點(diǎn)　31

1.4.7　升降壓變換器分析　31

1.4.8　升降壓變換器特性　32

1.4.9　為什么僅有三種基本拓?fù)洹?3

1.4.10　升壓拓?fù)洹?4

1.4.11　降壓拓?fù)洹?7

1.4.12　高級變換器設(shè)計(jì)　38



第2章　DC-DC變換器及其磁性元件設(shè)計(jì)　39

2.1　直流傳遞函數(shù)　40

2.2　電感電流波形中的直流分量和交流紋波　40

2.3　交流電流、直流電流和峰值電流的定義　42

2.4　理解交流、直流和峰值電流　44

2.5　定義“最惡劣”輸入電壓　45

2.6　電流紋波率r　47

2.7　r與電感值的關(guān)系　47

2.8　r的最優(yōu)值　48

2.9　是電感尺寸，還是電感值　49

2.10　負(fù)載電流對電感值和電感尺寸的影響　50

2.11　供應(yīng)商如何標(biāo)定成品電感的額定電流，以及如何選擇電感　50

2.12　給定應(yīng)用中需要考慮的電感電流額定值　51

2.13　電流限制的范圍和容限　53

2.14　實(shí)例(1)　55

2.14.1　設(shè)置r值時(shí)，對電流限制的考慮　56

2.14.2　r值固定時(shí)，對連續(xù)導(dǎo)通模式的考慮　57

2.14.3　使用低等效串聯(lián)電阻的電容時(shí)，r值應(yīng)設(shè)為大于0.4　58

2.14.4　設(shè)置r值以避免器件特殊性帶來的問題　59

2.14.5　設(shè)置r值以避免次諧波振蕩　60

2.14.6　使用L×I和負(fù)載縮放法快速選擇電感　63

2.15　實(shí)例(2、3和4)　63

2.15.1　強(qiáng)迫連續(xù)導(dǎo)通模式下的電流紋波率r　64

2.15.2　基本磁定義　65

2.16　實(shí)例(5)不增加匝數(shù)　67

2.16.1　磁場紋波系數(shù)　68

2.16.2　用伏秒積來分析電壓型方程(MKS單位制)　68

2.16.3　CGS單位制　68

2.16.4　用伏秒積來分析電壓型方程(CGS單位制)　69

2.16.5　磁芯損耗　69

2.17　實(shí)例(6)特定應(yīng)用中成品電感的特性　70

2.17.1　評估需求　70

2.17.2　電流紋波率　72

2.17.3　峰值電流　72

2.17.4　磁通密度　73

2.17.5　銅損　73

2.17.6　磁芯損耗　74

2.17.7　DC-DC變換器設(shè)計(jì)和磁性元件　74

2.17.8　溫升　74

2.18　其他極限應(yīng)力計(jì)算及其選擇標(biāo)準(zhǔn)　75

2.18.1　最大磁芯損耗　75

2.18.2　最大二極管損耗　76

2.18.3　一般二極管選擇步驟　76

2.18.4　最大開關(guān)損耗　77

2.18.5　一般開關(guān)管選擇步驟　78

2.18.6　最大輸出電容損耗　78

2.18.7　一般輸出電容選擇步驟　78

2.18.8　最大輸入電容損耗　79

2.18.9　一般輸入電容選擇步驟　80



第3章　離線式變換器及其磁性元件設(shè)計(jì)　81

3.1　反激變換器的磁性元件　81

3.1.1　變壓器繞組的極性　81

3.1.2　反激變換器的變壓器功能及其占空比　83

3.1.3　等效升降壓變換器模型　85

3.1.4　反激變換器的電流紋波率　86

3.1.5　漏感　87

3.1.6　穩(wěn)壓管鉗位損耗　87

3.1.7　副邊側(cè)漏感也影響原邊側(cè)　87

3.1.8　測量有效的原邊側(cè)漏感　88

3.1.9　實(shí)例(7)反激變壓器設(shè)計(jì)　88

3.1.10　選擇線規(guī)和銅箔厚度　93

3.2　正激變換器的磁性元件　96

3.2.1　占空比　96

3.2.2　最惡劣輸入電壓　98

3.2.3　利用窗口面積　99

3.2.4　磁芯尺寸與其功率吞吐量的關(guān)系　100

3.2.5　實(shí)例(8)正激變壓器設(shè)計(jì)　101



第4章　拓?fù)涞某Ｒ妴栴}和解答　113



第5章　高級磁技術(shù)：最優(yōu)磁芯選擇　128

5.1　第1部分：能量傳輸原理　128

5.1.1　拓?fù)涓攀觥?28

5.1.2　能量傳輸圖　133

5.1.3　峰值儲(chǔ)能要求　138

5.1.4　根據(jù)預(yù)期電流紋波計(jì)算電感值　141

5.2　第2部分：能量與磁芯尺寸　143

5.2.1　磁路和有氣隙磁芯的有效磁路長度　143

5.2.2　有氣隙磁芯的儲(chǔ)能和z因數(shù)　145

5.2.3　有氣隙磁芯的能量與磁芯體積的關(guān)系　148

5.3　第3部分：從螺線管到E型磁芯　151

5.4　第4部分：更多AC-DC反激變壓器設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)　153

5.5　第5部分：更多AC-DC正激變換器變壓器設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)　157



第6章　元器件額定值、應(yīng)力、可靠性和壽命　163

6.1　引言　163

6.2　應(yīng)力和降額　163

6.3　第1部分：功率變換器的額定值和降額　166

6.3.1　工作環(huán)境　166

6.3.2　電源中元器件的額定值和應(yīng)力系數(shù)　169

6.3.3　機(jī)械應(yīng)力　177

6.4　第2部分：平均無故障時(shí)間、失效率、保修成本和壽命　177

6.4.1　MTBF　178

6.4.2　保修成本　180

6.4.3　壽命期望和失效標(biāo)準(zhǔn)　181

6.4.4　可靠性預(yù)測方法　182

6.4.5　驗(yàn)證可靠性測試　183

6.4.6　加速壽命試驗(yàn)　184

6.5　第3部分：鋁電解電容壽命預(yù)測　185



第7章　最優(yōu)功率器件選擇　190

7.1　概述　190

7.2　功率變換器的主要應(yīng)力　190

7.3　不同拓?fù)涞牟ㄐ魏头逯惦妷簯?yīng)力　191

7.4　電流有效值和平均值的重要性　195

7.5　二極管、場效應(yīng)管和電感的電流有效值和平均值計(jì)算　196

7.6　電容的電流有效值和平均值計(jì)算　198

7.7　蜘蛛狀應(yīng)力曲線　204

7.8　降低AC-DC變換器應(yīng)力　206

7.9　RCD鉗位和RCD吸收電路　208



第8章　導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗　213

8.1　阻性負(fù)載時(shí)的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程　213

8.2　感性負(fù)載時(shí)的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程　216

8.3　開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗　218

8.4　感性負(fù)載時(shí)用于開關(guān)損耗研究的MOSFET簡化模型　219

8.5　寄生電容在交流系統(tǒng)中的表示方法　220

8.6　柵極閾值電壓　221

8.7　導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程　222

8.8　關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程　225

8.9　柵荷系數(shù)　229

8.10　實(shí)例　230

8.10.1　導(dǎo)通過程　231

8.10.2　關(guān)斷過程　232

8.11　開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗分析　233

8.12　開關(guān)損耗對應(yīng)的最惡劣輸入電壓　233

8.13　開關(guān)損耗隨寄生電容變化　234

8.14　根據(jù)MOSFET特性優(yōu)化驅(qū)動(dòng)能力　235



第9章　探索新拓?fù)洹?37

9.1　第1部分：恒頻同步降壓拓?fù)洹?37

9.1.1　用場效應(yīng)管(安全地)替代二極管　237

9.1.2　死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生　239

9.1.3　CdV/dt引起場效應(yīng)管導(dǎo)通　239

9.1.4　體二極管續(xù)流　240

9.1.5　外部(并聯(lián))肖特基二極管　241

9.1.6　同步(互補(bǔ))驅(qū)動(dòng)　242

9.2　第2部分：恒頻同步升壓拓?fù)洹?42

9.3　第3部分：電流檢測的分類及其常規(guī)技術(shù)　246

9.3.1　直流電阻檢測　247

9.3.2　無感降壓單元　251

9.3.3　無損下垂調(diào)整和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整　253

9.4　第4部分：四管升降壓拓?fù)洹?55

9.5　第5部分：輔助端和復(fù)合拓?fù)洹?59

9.5.1　是升壓拓?fù)溥�是升降壓拓?fù)洹?60

9.5.2　理解Cuk、Sepic和Zeta拓?fù)洹?61

9.5.3　計(jì)算Cuk、Sepic和Zeta變換器的電流波形　266

9.5.4　Cuk、Sepic和Zeta拓?fù)涞膽?yīng)力和元器件選擇標(biāo)準(zhǔn)　267

9.6　第6部分：結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫螒B(tài)　268

9.7　第7部分：其他拓?fù)浜图夹g(shù)　272

9.7.1　隱藏的輔助端和對稱性　272

9.7.2　多輸出和浮動(dòng)降壓調(diào)整器　273

9.7.3　滯環(huán)控制器　274

9.7.4　跨脈沖模式　277

9.7.5　實(shí)現(xiàn)正激變換器變壓器復(fù)位　278



第10章　印制電路板設(shè)計(jì)　281

10.1　引言　281

10.2　印制線分析　281

10.3　設(shè)計(jì)要點(diǎn)　282

10.4　熱管理問題　286



第11章　熱管理　288

11.1　熱阻和電路板結(jié)構(gòu)　288

11.2　歷史定義　290

11.3　自然對流的經(jīng)驗(yàn)方程　291

11.4　兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)方程對比　292

11.4.1　熱動(dòng)力學(xué)理論中的h　293

11.4.2　印制電路板銅面積估算　294

11.5　銅印制線尺寸　294

11.6　一定海拔高度上的自然對流　295

11.7　強(qiáng)制空氣冷卻　295

11.8　熱輻射傳遞　296

11.9　其他問題　297



第12章　反饋環(huán)路分析及穩(wěn)定性　298

12.1　傳遞函數(shù)、時(shí)間常數(shù)和激勵(lì)函數(shù)　298

12.2　理解e并繪制對數(shù)坐標(biāo)曲線　299

12.3　復(fù)數(shù)表示法　300

12.4　重復(fù)和非重復(fù)激勵(lì)：時(shí)域和頻域分析　301

12.5　s平面　302

12.6　拉普拉斯變換　302

12.7　干擾及反饋的角色　304

12.8　RC濾波器的傳遞函數(shù)、增益和伯德圖　306

12.9　積分運(yùn)算放大器(零極點(diǎn)濾波器)　308

12.10　對數(shù)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)運(yùn)算　310

12.11　后級LC濾波器的傳遞函數(shù)　310

12.12　無源濾波器傳遞函數(shù)小結(jié)　313

12.13　極點(diǎn)和零點(diǎn)　314

12.14　極點(diǎn)和零點(diǎn)的相互作用　315

12.15　閉環(huán)增益和開環(huán)增益　316

12.16　分壓器　318

12.17　脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)　318

12.18　電壓(輸入)前饋　320

12.19　功率級傳遞函數(shù)　320

12.20　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的被控對象傳遞函數(shù)　321

12.20.1　降壓變換器　321

12.20.2　升壓變換器　322

12.20.3　升降壓變換器　323

12.21　反饋部分的傳遞函數(shù)　324

12.22　閉環(huán)　326

12.23　環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)及策略　328

12.24　繪制三種拓?fù)涞拈_環(huán)增益　328

12.25　等效串聯(lián)電阻零點(diǎn)　332

12.26　高頻極點(diǎn)　332

12.27　設(shè)計(jì)3型運(yùn)算放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)　333

12.28　優(yōu)化反饋環(huán)路　336

12.29　輸入紋波抑制　337

12.30　負(fù)載的暫態(tài)響應(yīng)　338

12.31　1型和2型補(bǔ)償　339

12.32　跨導(dǎo)運(yùn)算放大器補(bǔ)償　340

12.33　更簡單的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器補(bǔ)償　343

12.34　電流模式控制補(bǔ)償　344



第13章　高級命題：并聯(lián)、交錯(cuò)和負(fù)載均流　352

13.1　第1部分：變換器的電壓紋波　352

13.2　第2部分：功率變換器應(yīng)力分配及降低　357

13.2.1　概述　357

13.2.2　功率變換器的功率縮放　357

13.2.3　降壓變換器的并聯(lián)和交錯(cuò)　360

13.2.4　交錯(cuò)式降壓變換器的應(yīng)力有效值封閉形式方程　364

13.2.5　交錯(cuò)式升壓功率因數(shù)校正變換器　367

13.2.6　交錯(cuò)式多相變換器　367

13.3　第3部分：交錯(cuò)式降壓變換器中的耦合電感　367

13.4　第4部分：并聯(lián)變換器的負(fù)載均流　377

13.4.1　被動(dòng)式均流　377

13.4.2　主動(dòng)式負(fù)載均流　381



第14章　AC-DC電源前級電路　383

14.1　概述　383

14.2　第1部分：小功率應(yīng)用　384

14.2.1　充電和放電階段　384

14.2.2　電容值增加，tCOND減小，導(dǎo)致電流有效值增加　386

14.2.3　電容電壓軌跡和基本階段　387

14.2.4　容忍AC-DC開關(guān)變換器中的高輸入電壓紋波　387

14.2.5　大容量電容電壓紋波對開關(guān)變換器設(shè)計(jì)的影響　389

14.2.6　常用反激電源失效保護(hù)方案　389

14.2.7　輸入電流波形和電容電流　391

14.2.8　如何正確說明μF/W　392

14.2.9　利用速查數(shù)據(jù)或“北極模擬法”的算例　393

14.2.10　電容公差和壽命　394

14.2.11　保持時(shí)間　395

14.2.12　兩種不同的滿足保持時(shí)間要求的反激變換器設(shè)計(jì)策略　399

14.3　第2部分：大功率應(yīng)用和功率因數(shù)校正　401

14.3.1　概述　401

14.3.2　如何使升壓拓?fù)涑尸F(xiàn)正弦波輸入電流　404

14.3.3　功率因數(shù)校正級和脈寬調(diào)制級的反同步技術(shù)　407

14.3.4　采用或不采用反同步技術(shù)時(shí)電容電流有效值計(jì)算　412

14.3.5　交錯(cuò)式升壓功率因數(shù)校正級　414

14.3.6　功率因數(shù)校正級的實(shí)際設(shè)計(jì)問題　414

14.3.7　功率因數(shù)校正扼流圈設(shè)計(jì)準(zhǔn)則　415

14.3.8　功率因數(shù)校正扼流圈的磁芯損耗　417

14.3.9　臨界升壓有源功率因數(shù)校正級　418



第15章　電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)及測量　419

15.1　第1部分：概述　419

15.1.1　標(biāo)準(zhǔn)　419

15.1.2　電磁干擾限制　420

15.1.3　一些與成本相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)法則　422

15.1.4　組件的電磁干擾　423

15.1.5　電磁波和電磁場　423

15.1.6　外推法　426

15.1.7　準(zhǔn)峰值、平均值和峰值測量　427

15.2　第2部分：傳導(dǎo)電磁干擾測量　428

15.2.1　差模和共模噪聲　428

15.2.2　用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)測量傳導(dǎo)電磁干擾　430

15.2.3　用簡單的數(shù)學(xué)方法估算最大傳導(dǎo)噪聲電流　432

15.2.4　用于傳導(dǎo)電磁干擾診斷的共模和差模分量　432

15.2.5　用于輻射電磁干擾診斷的近場嗅探器　436



第16章　實(shí)用電源電磁干擾濾波器及噪聲源　437

16.1　第1部分：實(shí)用電源濾波器　437

16.1.1　電磁干擾濾波器設(shè)計(jì)中的基本安全問題　437

16.1.2　四種常用的涂層工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)　438

16.1.3　總Y電容的安全限制　439

16.1.4　實(shí)用電源濾波器　439

16.1.5　等效差模和共模電路檢查及濾波器設(shè)計(jì)要點(diǎn)　445

16.1.6　接地扼流圈　446

16.1.7　電磁干擾濾波器設(shè)計(jì)方面一些值得注意的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)　447

16.2　第2部分：開關(guān)電源中的差模和共模噪聲　447

16.2.1　差模噪聲的主要來源　447

16.2.2　共模噪聲的主要來源　447

16.2.3　機(jī)殼上安裝半導(dǎo)體器件　450

16.2.4　共模噪聲源　450

16.2.5　高性價(jià)比濾波器設(shè)計(jì)　451



第17章　電路板電磁干擾治理及輸入濾波器穩(wěn)定性　453

17.1　第1部分：減少電磁干擾的實(shí)用技術(shù)　453

17.1.1　覆地　453

17.1.2　變壓器在電磁干擾中的角色　453

17.1.3　二極管的電磁干擾　458

17.1.4　輻射測試會(huì)失敗嗎　460

17.2　第2部分：電源模塊及輸入不穩(wěn)定性　461



第18章　電磁難題背后的數(shù)學(xué)　466

18.1　電源中的傅里葉級數(shù)　466

18.2　方波　466

18.3　辛克函數(shù)　468

18.4　傅里葉級數(shù)的幅值包絡(luò)線　470

18.5　實(shí)用差模濾波器設(shè)計(jì)　472

18.5.1　等效串聯(lián)電阻估計(jì)　473

18.5.2　高電網(wǎng)電壓下的差模濾波器計(jì)算　474

18.5.3　低電網(wǎng)電壓下的差模濾波器計(jì)算　475

18.5.4　濾波器的安全裕量　477

18.6　實(shí)用共模濾波器設(shè)計(jì)　477



第19章　算例　481

19.1　算例　481

19.2　第1部分：場效應(yīng)管的選擇　486

19.3　第2部分：場效應(yīng)管的導(dǎo)通損耗　487

19.4　第3部分：場效應(yīng)管的開關(guān)損耗　488

19.5　第4部分：電感損耗　491

19.6　第5部分：輸入電容的選擇及其損耗　493

19.7　第6部分：輸出電容的選擇及其損耗　493

19.8　第7部分：總損耗和效率估計(jì)　495

19.9　第8部分：結(jié)溫估計(jì)　495

19.10　第9部分：控制環(huán)設(shè)計(jì)　496



附錄　500

索引　507