开关电源设计9787121464430
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作者(美)Abraham I. Pressman，(美)Keith Billings，(美)Taylor Morey著
出版社电子工业出版社
ISBN9787121464430
出版时间2023-09
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货号14097348
上书时间2024-12-23
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目录
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 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 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 开关管优选截止电压应力 53 2.3.7 实际输入电压和输出功率 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 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 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：计算开关管的优选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 磁芯优选输出功率、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 确定很好的磁芯尺寸和形状 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：加了气隙的铁氧体磁芯 247 7.9.2 步骤一：确定20%纹波电流需要的电感量 248 7.9.3 步骤二：确定面积乘积（AP） 249 7.9.4 步骤三：计算最小匝数 249 7.9.5 步骤四：计算磁芯气隙 250 7.9.6 步骤五：确定很好线径 251 7.9.7 步骤六：计算很好线径 252 7.9.8 步骤七：计算绕组电阻 252 7.9.9 步骤八：确定功率损耗 252 7.9.10 步骤九：预测温升―面积乘积法 252 7.9.11 步骤十：核查磁芯损耗 254 7.10 磁学：用粉芯材料设计扼流圈简介 256 7.10.1 影响粉芯材料选择的因素 256 7.10.2 粉芯材料的饱和特性 256 7.10.3 粉芯材料的损耗特性 257 7.10.4 铜耗―低交流应力时扼流圈设计的因素 259 7.10.5 磁芯损耗―高交流应力时扼流圈设计的因素 259 7.10.6 中等交流应力时的扼流圈设计 259 7.10.7 磁芯材料饱和特性 259 7.10.8 磁芯的几何结构 260 7.10.9 材料成本 260 7.11 扼流圈设计例子：用环形KoolM?粉芯铜损耗 261 7.11.1 简介 261 7.11.2 根据所储存能量和面积乘积法选择磁芯尺寸 261 7.11.3 受铜耗的扼流圈设计例子 262 7.12 用各种E型粉芯设计扼流圈的例子 266 7.12.1 引言 266 7.12.2 第一个例子：用E型＃40铁粉芯设计扼流圈 267 7.12.3 第二个例子：用E型＃8铁粉芯设计扼流圈 272 7.12.4 第三个例子：用E型＃60 KoolM?磁芯设计扼流圈 273 7.13 变感扼流圈设计例子：用E型KoolM?磁芯设计受铜耗的扼流圈 276 7.13.1 变感扼流圈 276 7.13.2 变感扼流圈设计例子 277 参考文献 279 第8章 电力晶体管的基极驱动电路 281 8.1 简介 281 8.2 电力晶体管的理想基极驱动电路的主要目标 281 8.2.1 导通期间足够大的电流 281 8.2.2 开通瞬间基极过驱动输入电流尖峰Ib1 282 8.2.3 关断瞬间反向基极电流尖峰Ib2 283 8.2.4 关断瞬间基极和发射极间的-1～-5V反向电压尖峰 285 8.2.5 贝克（Baker）钳位电路（能同时满足高、低 ? 值的电力晶体管工作要求的电路） 285 8.2.6 对驱动效率的改善 286 8.3 变压器耦合的贝克钳位电路 286 8.3.1 贝克钳位的工作原理 288 8.3.2 使用变压器耦合的贝克钳位电路 289 8.3.3 结合集成变压器的贝克钳位电路 293 8.3.4 达林顿管内部的贝克钳位电路 295 8.3.5 比例基极驱动电路 295 8.3.6 其他类型的基极驱动电路 300 参考文献 304 第9章 MOSFET和IGBT及其驱动电路 305 9.1 MOSFET概述 305 9.1.1 IGBT概述 305 9.1.2 电源工业的变化 305 9.1.3 对新电路设计的影响 306 9.2 MOSFET的基本工作原理 306 9.2.1 MOSFET的输出特性（Id-Vds） 307 9.2.2 MOSFET的通态阻抗rds(on) 309 9.2.3 MOSFET的输入阻抗米勒效应和栅极电流 309 9.2.4 计算栅极电压的上升和下降时间以获得理想的漏极电流上升和下降时间 311 9.2.5 MOSFET栅极驱动电路 312 9.2.6 MOSFET的rds温度特性和安全工作区 314 9.2.7 MOSFET栅极阈值电压及其温度特性 316 9.2.8 MOSFET的开关速度及其温度特性 317 9.2.9 MOSFET的额定电流 317 9.2.10 MOSFET并联工作 320 9.2.11 推挽拓扑中的MOSFET 321 9.2.12 MOSFET的优选栅极电压 322 9.2.13 MOSFET源极和漏极间的体二极管 322 9.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）概述 323 9.3.1 选择合适的IGBT 324 9.3.2 IGBT构造概述 325 9.3.3 IGBT工作特性 325 9.3.4 IGBT并联使用 327 9.3.5 技术参数和优选额定值 327 9.3.6 静态电学特性 330 9.3.7 动态特性 330 9.3.8 温度和机械特性 333 参考文献 335 第10章 磁放大器后级稳压器 336 10.1 简介 336 10.2 线性稳压器和Buck后级稳压器 337 10.3 磁放大器概述 337 10.3.1 用作快速开关的方形磁滞回线磁芯 339 10.3.2 磁放大器中的截止和导通时间 341 10.3.3 磁放大器磁芯复位及稳压 341 10.3.4 利用磁放大器关断辅输出 342 10.3.5 方形磁滞回线磁芯特性和几种常用磁芯 343 10.3.6 磁芯损耗和温升的计算 350 10.3.7 设计实例―磁放大器后级稳压 351 10.3.8 磁放大器的增益 354 10
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