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1 简 介 ……………………………………………………………………………………… 1
1.1 各种各样的电源 / 1
1.2 系统负载 / 3
1.3 电源分类 / 4
2 电压调节 …………………………………………………………………………………… 7
2.1 线性(模拟)稳压器 / 7
2.2 线性稳压器电路 / 8
2.3 开关稳压器 / 11
2.4 脉冲宽度调制 / 13
2.5 开关电源控制器 / 14
参考文献 / 16
3 开关电源中的基本元件 ……………………………………………………………… 17
3.1 电阻及其分类 / 17
3.1.1 碳膜电阻 / 18
3.1.2 金属膜电阻 / 18
3.1.3 其他类型电阻 / 18
3.2 电容及其分类 / 19
3.3 整流器 / 22
3.4 半导体开关器件 / 24
3.4.1 MOSFET 结构 / 25
3.4.2 功率 MOSFET 工作特性 / 26
3.5 开关电源中的电感 / 30
3.6 开关电源中的变压器 / 33
3.7 用于开关电源的集成电路控制器 / 35
参考文献 / 39
4 开关电源的拓扑结构 ………………………………………………………………… 41
4.1 基本开关变换拓扑 / 42
4.2 增加一个变压器 / 46
4.3 多开关电源拓扑 / 48
电源设计基础
ii
4.4 直流变压器 / 49
4.5 电流馈式推挽变换器 / 50
4.6 双管正激拓扑 / 52
4.7 处理高功率等级的桥式拓扑 / 53
4.8 基本拓扑总结 / 54
4.9 功率单元的工作模式 / 55
4.10 右半平面零点 / 57
4.11 同步整流的影响 / 59
4.11.1 同步整流的电路实现 / 60
4.11.2 同步整流的系统含义 / 62
4.11.3 同步整流新的拓扑结构 / 62
4.12 功率拓扑的改进增强 / 66
4.13 单开关拓扑的变压器复位 / 66
4.14 全桥 ZVS 变换器拓扑 / 72
4.15 副边侧输出拓扑选择:倍流整流电路 / 75
小结 / 77
参考文献 / 77
5 开关电源中控制算法 ………………………………………………………………… 79
5.1 滞环控制 / 79
5.2 恒定导通时间控制 / 80
5.3 恒定关断时间控制 / 82
5.4 电压模式控制 / 82
5.5 电流模式控制 / 83
5.6 平均电流模式控制 / 85
5.7 谷底电流模式控制 / 87
5.8 改进基本控制方法以满足更高级的要求 / 87
5.9 一种实用的谐振模式控制算法 / 90
小结 / 92
参考文献 / 93
6 闭环反馈控制 …………………………………………………………………………… 95
6.1 稳定性的定义 / 95
6.2 反馈控制的基本原理 / 96
6.3 Buck 变换器的建模 / 98
6.3.1 反馈网络增益 KFB / 99
6.3.2 脉宽调节器增益 KPWM / 100
6.3.3 输出滤波器增益 KLC(s) / 100
6.3.4 误差放大器增益 KEA / 102
6.4 稳定性的相关考虑 / 104
6.5 误差放大器的补偿 / 105
目 录
iii
6.5.1 Ⅰ型补偿 / 106
6.5.2 Ⅱ型补偿 / 107
6.5.3 Ⅲ型补偿 / 107
6.6 环路补偿设计示例 / 107
6.7 电流模式控制的环路补偿 / 115
6.8 测量环路响应 / 117
6.9 环路中包含隔离线路 / 120
6.10 小结 / 122
参考文献 / 122
7 开关电源磁性元件设计 ……………………………………………………………… 123
7.1 了解磁学 / 123
7.2 安培定律 / 124
7.3 法拉第定律 / 124
7.4 磁学单位 / 125
7.5 电学和磁学的关系 / 126
7.6 电感的设计 / 129
7.7 电感设计的难点 / 131
7.8 导体的趋肤效应 / 134
7.9 邻近效应 / 135
7.10 电感设计流程 / 138
7.11 变压器设计流程 / 140
7.12 小结 / 143
参考文献 / 143
8 辅助电源电路 …………………………………………………………………………… 145
8.1 DC/DC 变换器的输入和输出电容 / 145
8.2 交流输入滤波电容 / 147
8.3 功率因数校正电路 / 150
8.3.1 平均电流模式控制(CCM) / 156
8.3.2 临界导通模式(CRM) / 157
8.3.3 交错式功率因数校正 / 158
8.3.4 无桥功率因数校正 / 161
8.3.5 其他 PFC 解决方案 / 163
8.4 电源启动电路 / 163
8.5 缓冲吸收电路设计 / 165
8.6 无电感开关变换器——电荷泵 / 168
8.7 小结 / 171
参考文献 / 172
电源设计基础
iv
9 电磁噪声的处理 ………………………………………………………………………… 173
9.1 术语定义 / 173
9.2 理解 EMI / 174
9.3 测量 EMI / 174
9.4 EMI 规范和限值 / 175
9.5 传导 EMI / 178
9.6 降低传导差模噪声 / 180
9.7 降低传导共模噪声 / 183
9.8 辐射 EMI / 187
9.9 抑制辐射噪声 / 188
9.10 扩频抖动降噪技术 / 192
参考文献 / 198
10 电源故障管理 ………………………………………………………………………… 199
10.1 为人身安全而设计 / 199
10.1.1 电源中的元件 / 200
10.1.2 电气安全的注意事项 / 201
10.1.3 绝缘保护 / 202
10.1.4 确定工作电压 / 204
10.1.5 绝缘技术 / 205
10.2 防止外部引起的故障 / 207
10.3 过压保护 / 208
10.4 电压中断电路 / 209
10.5 故障保护控制 / 210
10.6 控制电源中的电流 / 212
10.7 电流检测方法 / 213
10.8 电流互感变压器 / 222
10.9 电源并联时的负载均流 / 225
10.10 小结 / 231
参考文献 / 231
11 追寻更高的效率 ……………………………………………………………………… 233
11.1 外置电源效率的联邦标准 / 234
11.2 计算机内部电源标准 / 236
11.3 电源设计注意事项 / 236
11.3.1 导通损耗 / 237
11.3.2 功率器件开关损耗 / 238
11.3.3 磁芯损耗 / 239
11.3.4 拓扑选择上的考量 / 239
11.4 一步步定义电源构架 / 239
11.4.1 收集所有的需求信息 / 239
目 录
v
11.4.2 选择电路拓扑 / 240
11.5 为最高效率而进行设计 / 241
11.5.1 减少开关损耗 / 243
11.5.2 减少启动损耗 / 245
11.5.3 减少副边侧的损耗 / 246
11.6 通过创新设计来显示性能的提升 / 250
11.6.1 测试结果数据评估 / 251
11.7 小结 / 254
参考文献 / 254
12 数字电源控制 ………………………………………………………………………… 255
12.1 重新认识数字控制的价值 / 255
12.2 多功能应用场合 / 256
12.3 需要复杂控制的应用场合 / 262
12.4 需要外部编程的应用场合 / 268
12.5 需要外部配置控制的应用场合 / 273
12.6 小结 / 276
参考文献 / 277
13 电源设计中的实际问题 …………………………………………………………… 279
13.1 理解寄生参数 / 279
13.1.1 阻性元件 / 279
13.1.2 无功元件 / 284
13.1.3 保护敏感的节点 / 289
13.2 地和接地技术 / 291
13.3 热学设计 / 295
13.4 PCB 布局实例 / 303
13.5 小结 / 308
参考文献 / 308
关于作者 ……………………………………………………………………………………… 309
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