开关电源设计（第三版）

第1部分 拓 扑
第1章　基本拓扑 2
1.1　线性稳压器和Buck、Boost及反相开关稳压器简介 2
1.2　线性稳压器—耗能型稳压器 2
1.2.1　基本工作原理 2
1.2.2　线性稳压器的缺点 3
1.2.3　串联晶体管的功率损耗 4
1.2.4　线性稳压器的效率与输出电压的关系 4
1.2.5　串联PNP型晶体管的低功耗线性稳压器 6
1.3　开关稳压器拓扑 6
1.3.1　Buck开关稳压器 6
1.3.2　Buck稳压器的主要电流波形 8
1.3.3　Buck稳压器的效率 9
1.3.4　Buck稳压器的效率（考虑交流开关损耗） 10
1.3.5　理想开关频率的选择 12
1.3.6　设计例子 13
1.3.7　输出电容 17
1.3.8　基于Buck稳压器的隔离半稳压输出 18
1.4　Boost开关稳压器拓扑 19
1.4.1　基本工作原理 19
1.4.2　Boost稳压器的不连续导电模式 20
1.4.3　Boost稳压器的连续导电模式 22
1.4.4　不连续导电模式的Boost稳压器的设计 23
1.4.5　Boost稳压器与反激变换器的关系 25
1.5　Buck-Boost稳压器 25
1.5.1　基本工作原理 25
1.5.2　Buck-Boost稳压器设计 26
参考文献 27
第2章　推挽和正激变换器拓扑 28
2.1　简介 28
2.2　推挽拓扑 28
2.2.1　基本工作原理（主/辅输出结构） 28
2.2.2　辅输出的输入-负载调整率 30
2.2.3　辅输出电压偏差 31
2.2.4　主输出电感的最小电流限制 31
2.2.5　推挽拓扑中的偏磁（阶梯饱和现象） 31
2.2.6　偏磁的表现 33
2.2.7　偏磁的测试 35
2.2.8　偏磁的解决方法 35
2.2.9　电力变压器设计 37
2.2.10　一次侧、二次侧峰值电流及有效值电流 40
2.2.11　开关管的电压应力及漏感尖峰 43
2.2.12　电力晶体管的损耗 43
2.2.13　推挽拓扑输出功率及输入电压的限制 45
2.2.14　输出滤波器的设计 46
2.3　正激变换器拓扑 48
2.3.1　基本工作原理 48
2.3.2　输出/输入电压与导通时间和匝比的设计关系 51
2.3.3　辅输出电压 51
2.3.4　二次侧负载、续流二极管及电感的电流 52
2.3.5　一次侧电流、输出功率及输入电压之间的关系 52
2.3.6　开关管最大截止电压应力 53
2.3.7　实际输入电压和输出功率限制 53
2.3.8　一次绕组和复位绕组匝数不相等的正激变换器 54
2.3.9　正激变换器电磁理论 56
2.3.10　电力变压器的设计 58
2.3.11　输出滤波器的设计 60
2.4　双端正激变换器拓扑 60
2.4.1　基本工作原理 60
2.4.2　设计原则及变压器的设计 62
2.5　交错正激变换器拓扑 63
2.5.1　基本工作原理、优缺点和输出功率限制 63
2.5.2　变压器的设计 64
2.5.3　输出滤波器的设计 65
参考文献 65
第3章　半桥和全桥变换器拓扑 66
3.1　简介 66
3.2　半桥变换器拓扑 66
3.2.1　基本工作原理 66
3.2.2　半桥变换器磁设计 67
3.2.3　输出滤波器的设计 69
3.2.4　防止偏磁的隔直电容的选择 69
3.2.5　半桥变换器的漏感问题 70
3.2.6　半桥变换器与双端正激变换器的比较 70
3.2.7　半桥变换器实际输出功率的限制 71
3.3　全桥变换器拓扑 71
3.3.1　基本工作原理 71
3.3.2　全桥变换器磁设计 73
3.3.3　输出滤波器的计算 74
3.3.4　变压器一次侧隔直电容的选择 74
第4章　反激变换器 75
4.1　简介 77
4.2　反激变换器基本工作原理 77
4.3　反激变换器工作模式 77
4.4　不连续导电模式 78
4.4.1　输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系 79
4.4.2　不连续导电模式向连续导电模式的过渡 79
4.4.3　反激变换器连续导电模式的基本工作原理 81
4.5　设计原则和设计步骤 82
4.5.1　步骤1：确定一次侧/二次侧匝比 82
4.5.2　步骤2：保证磁芯不饱和且电路始终工作于不连续导电模式 83
4.5.3　步骤3：根据最小输出电阻及直流输入电压调整一次侧电感 83
4.5.4　步骤4：计算开关管的最大电压应力和峰值电流 84
4.5.5　步骤5：计算一次侧电流有效值和一次侧导线尺寸 84
4.5.6　步骤6：二次侧电流有效值和二次侧导线尺寸 84
4.6　不连续导电模式下的反激变换器的设计实例 84
4.6.1　反激拓扑的电磁原理 86
4.6.2　铁氧体磁芯加气隙防止饱和 87
4.6.3　采用MPP磁芯防止饱和 88
4.6.4　反激变换器的缺点 92
4.7　AC 120V/220V输入反激变换器 93
4.8　连续导电模式反激变换器的设计原则 95
4.8.1　输出电压和导通时间的关系 95
4.8.2　输入、输出电流与功率的关系 96
4.8.3　最小直流输入时连续导电模式下的电流斜坡幅值 97
4.8.4　不连续与连续导电模式反激变换器的设计实例 97
4.9　交错反激变换器 99
4.9.1　交错反激变换器二次侧电流的叠加 100
4.10　双端（两个开关管）不连续导电模式反激变换器 100
4.10.1　应用场合 100
4.10.2　基本工作原理 100
4.10.3　双端反激变换器的漏感效应 101
参考文献 102
第5章　电流模式和电流馈电拓扑 103
5.1　简介 103
5.1.1　电流模式控制 103
5.1.2　电流馈电拓扑 103
5.2　电流模式控制 103
5.2.1　电流模式控制的优点 104
5.3　电流模式和电压模式控制电路的比较 105
5.3.1　电压模式控制电路 105
5.3.2　电流模式控制电路 108
5.4　电流模式优点详解 110
5.4.1　输入电网电压的调整 110
5.4.2　防止偏磁 110
5.4.3　在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计 111
5.4.4　负载电流调整原理 112
5.5　电流模式的缺点和存在的问题 113
5.5.1　恒定峰值电流与平均输出电流的比例问题 113
5.5.2　对输出电感电流扰动的响应 114
5.5.3　电流模式的斜率补偿 115
5.5.4　用正斜率电压的斜率补偿 116
5.5.5　斜率补偿的实现 116
5.6　电压馈电和电流馈电拓扑的特性比较 118
5.6.1　引言及定义 118
5.6.2　电压馈电PWM全桥变换器的缺点 118
5.6.3　Buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理 121
5.6.4　Buck电压馈电全桥拓扑的优点 122
5.6.5　Buck电压馈电PWM全桥电路的缺点 124
5.6.6　Buck电流馈电全桥拓扑的基本工作原理 124
5.6.7　反激电流馈电推挽拓扑（Weinberg电路） 134
参考文献 147
第6章　其他拓扑 149
6.1　SCR谐振拓扑概述 149
6.2　SCR和ASCR的基本工作原理 150
6.3　利用谐振正弦阳极电流关断SCR的单端谐振逆变器拓扑 154
6.4　SCR谐振桥式拓扑概述 156
6.4.1　串联负载SCR半桥谐振变换器的基本工作原理 158
6.4.2　串联负载SCR半桥谐振变换器的设计计算 159
6.4.3　串联负载SCR半桥谐振变换器的设计实例 161
6.4.4　并联负载SCR半桥谐振变换器 162
6.4.5　单端SCR谐振变换器拓扑的设计 162
6.5　Cuk变换器拓扑概述 166
6.5.1　Cuk变换器的基本工作原理 166
6.5.2　输出和输入电压比与开关管Q1导通时间的关系 168
6.5.3　L1和L2的电流变化率 168
6.5.4　消除输入电流纹波的措施 169
6.5.5　Cuk变换器的隔离输出 169
6.6　小功率辅助电源拓扑概述 170
6.6.1　辅助电源的接地问题 170
6.6.2　可供选择的辅助电源 171
6.6.3　辅助电源的典型电路 171
6.6.4　Royer振荡器辅助电源的基本工作原理 174
6.6.5　作为辅助电源的简单反激变换器 182
6.6.6　作为辅助电源的Buck稳压器（输出带直流隔离） 185
参考文献 185
第2部分 磁路与电路设计
第7章　变压器和磁性元件设计 187
7.1　简介 187
7.2　变压器磁芯材料与几何结构、峰值磁感应强度的选择 188
7.2.1　几种常用铁氧体材料的磁芯损耗与频率和磁感应强度的关系 188
7.2.2　铁氧体磁芯的几何尺寸 191
7.2.3　峰值磁感应强度的选择 193
7.3　磁芯最大输出功率、峰值磁感应强度、磁芯截面积与骨架窗口面积及绕组
电流密度的选择 194
7.3.1　变换器拓扑输出功率公式的推导 194
7.3.2　推挽变换器输出功率公式的推导 196
7.3.3　半桥拓扑输出功率公式的推导 200
7.3.4　全桥拓扑输出功率公式的推导 201
7.3.5　以查表的方式确定磁芯和工作频率 201
7.4　变压器温升的计算 208
7.5　变压器中的铜损 211
7.5.1　简介 211
7.5.2　集肤效应 211
7.5.3　集肤效应—定量分析 212
7.5.4　不同规格的导线直径在不同频率下的交/直流阻抗比 214
7.5.5　矩形波电流的集肤效应 215
7.5.6　邻近效应 217
7.6　利用面积乘积（AP）法进行电感及磁性元件设计简介 223
7.6.1　AP法的优点 224
7.6.2　电感器设计 224
7.6.3　信号级小功率电感 225
7.6.4　输入滤波电感 225
7.6.5　设计举例：工频共模输入滤波电感 227
7.6.6　差模输入滤波电感 232
7.7　磁学：扼流圈简介—直流偏置电流很大的电感 236
7.7.1　公式、单位和图表 237
7.7.2　有直流偏置电流的磁滞回线特征 237
7.7.3　磁场强度Hdc 238
7.7.4　增加扼流圈电感或者额定直流偏置量的方法 238
7.7.5　磁感应强度变化量?B 239
7.7.6　气隙的作用 241
7.7.7　温升 242
7.8　磁设计：扼流圈磁芯材料简介 242
7.8.1　适用于低交流应力场合的扼流圈材料 242
7.8.2　适用于高交流应力场合的扼流圈材料 243
7.8.3　适用于中等范围的扼流圈材料 243
7.8.4　磁芯材料饱和特性 243
7.8.5　磁芯材料损耗特性 244
7.8.6　材料饱和特性 245
7.8.7　材料磁导率参数 245
7.8.8　材料成本 246
7.8.9　确定最佳的磁芯尺寸和形状 246
7.8.10　磁芯材料选择总结 247
7.9　磁学：扼流圈设计例子 247
7.9.1　扼流圈设计例子：加了气隙