精通開關電源設計(第2版)（簡體書）

《精通開關電源設計(第 2版)》基於作者多年從事開關電源設計的經驗，從分析開關變換器的**基本器件――電感的原理入手，由淺入深系統地論述了寬輸入電壓DC-DC變換器(含離線式、反激電源)及其磁性元件設計、功率器件選擇和損耗計算、印製電路板佈線技術、三種主要拓撲在電壓/電流模式下的控制環穩定性，以及開關電源電磁干擾(EMI)理論和實踐等。書中還解答了變換器拓撲的常見問題，討論了開關電源設計實例、工業經驗和難點對策等。
《精通開關電源設計(第 2版)》不僅可作為各層次開關電源工程技術人員的教材，也可供開關電源設計人員和高校相關專業師生參考。

Sanjaya Maniktala
開關電源專家，曾在飛思卡爾、西門子和美國國家半導體等著名公司擔任高級工程領導職務，擁有“浮動降壓調整器拓撲”等多項專利。他還是EDN、Electronic Design等雜誌的專欄作家。

王健強
哈爾濱工業大學電力電子與電力傳動學科畢業，工學博士。現任北京交通大學電氣工程學院副教授，中國電工技術學會無線電能傳輸專委會委員。現主要從事新能源發電和交通領域無線電能傳輸技術應用研究。曾主持過國家863子項目“節能與新能源汽車”及北京市科委項目“大容量鋰離子電池化成設備研發”等課題。合譯過《風力發電系統》一書。

隨著便攜式設備快速發展，開關電源已成為電力電子學重要的應用領域。然而，開關電源的原理看似簡單，但實際上想要設計一個好的電源，要涉及半導體物理、控制理論、磁學等眾多學科，對設計者的專業要求很高，因此許多初學者歷經艱苦，仍然不得其門而入。本書凝聚了作者豐富的開關電源工程設計經驗和獨到的見解。作者由開關電源中重要也難理解的元件電感入手，系統地介紹了三種基本拓撲演變、磁性元件設計、功率器件選擇、功率器件損耗、印製電路板設計、反饋環路設計、前級電路設計以及開關電源的電磁干擾問題等內容，並結合設計實例做了深入分析。新版增加了八個新章節，保留的舊版內容也添加了更多詳細設計案例和相關技術，不但適合初學者入門，也適合有一定技術積累的專業人士進階。

譯　者　序

近年來，國內作者編寫的開關電源書籍層出不窮，各大出版社爭相引進的國外譯本也有很多，令人目不暇接，難以選擇。但其中圖靈電子與電氣工程叢書精選國外暢銷的開關電源書籍加以編譯，是該類圖書中的精品系列。這也是譯者欣然接手本書翻譯工作的原因。

本書雖然是《精通開關電源設計》的第2版，但與前一版相比，至少增加了1/3以上的內容。原書作者俱有豐富的開關電源工程設計經驗和獨到的見解，這些都在本書中得到了充分的體現。因此，本書適合具有基本的電力電子基礎知識，對學習開關電源知識有濃厚興趣的學生，以及急於提高自身理論功底和實用技能的開關電源工程師使用。

本書中，作者並沒有面面俱到地介紹所有開關電源拓撲，而是僅選取最基本、最具有代表性的3種基本拓撲（升壓、降壓和升降壓）做深入分析。這使得作者有精力與篇幅去介紹更為精細的開關電源設計方法，達到了以點帶面的效果。作者由開關電源中最重要也是最難理解的元件——電感入手，系統介紹了3種基本拓撲演變、磁性元件設計、功率器件選擇和損耗計算、印製電路板設計、反饋環路設計、前級電路設計以及開關電源的電磁干擾問題等內容，並結合設計實例做了深入分析。

本書第1章到第4章與前一版內容基本一致，前一版第5章變成本書第8章，前一版第6章變成本書第10章，前一版第7章變成本書第12章，前一版第8章到第14章內容作者已經重新編寫成本書第15章到第18章。雖然上述內容與前一版多有重複，但是為了保證本書譯文風格統一，我們還是在聽取前一版讀者評論的基礎上，對全書內容重新進行了翻譯。然而前一版譯本顯然是本書最好的參考資料，因此我們在此向前一版譯者的辛勤工作致以由衷的敬意！

北京交通大學電氣工程學院研究生程鵬天（第2章）、杜秀（第3章和第7章）、周向陽（第4章）、李曉萍（第5章、第10章、第15章、第16章和第19章）、呂超（第6章、第12章和第14章）和白嬌嬌（第8章、第9章和第13章）參加了部分章節的初譯工作，研究生李晶、鄧紅霞參加了全書的校譯工作。我在此對他們的幫助表示衷心的感謝！此外，感謝人民郵電出版社圖靈公司的編輯對本書譯稿所做的嚴格而細緻的工作！

我們深知讀者對科技譯文的要求越來越高，雖然始終秉承“信、達、雅”的翻譯理念，歷時7個多月的高強度工作，數易其稿，然而水平和經驗著實有限，敬請讀者批評指正。

王健強

於北京交通大學

第1章開關功率變換原理1
1．1 引言1
1．2 概述和基本術語2
1．2．1 效率2
1．2．2 線性調整器4
1．2．3 利用開關器件提高效率5
1．2．4 半導體開關器件的基本類型6
1．2．5 半導體開關器件並非理想器件6
1．2．6 利用電抗元件提高效率7
1．2．7 早期RC型開關調整器8
1．2．8 LC型開關調整器8
1．2．9 寄生參數的影響9
1．2．10 高頻開關時的問題10
1．2．11 可靠性、使用壽命和熱管理11
1．2．12 應力降額12
1．2．13 技術進展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 能量守恆定律14
1．3．4 充電階段和感應電壓概念15
1．3．5 串聯電阻對時間常數的影響16
1．3．6 R=0時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 反激能量和續流電流20
1．3．11 電流必須連續，但其變化率未必20
1．3．12 電壓反向現象20
1．3．13 功率變換中的穩態及其不同工作模式21
1．3．14 伏秒定律、電感復位和變換器的佔空比24
1．3．15 半導體開關器件的使用和保護25
1．4 開關拓撲的演變27
1．4．1 通過二極管續流控制感應電壓尖峰27
1．4．2 達到穩態並獲得有用能量28
1．4．3 升降壓變換器29
1．4．4 電路的地參考點30
1．4．5 升降壓變換器結構30
1．4．6 交換結點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 為什麼僅有三種基本拓撲33
1．4．10 升壓拓撲34
1．4．11 降壓拓撲37
1．4．12 高級變換器設計38

第2章DC-DC變換器及其磁性元件設計39
2．1 直流傳遞函數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“**惡劣”輸入電壓45
2．6 電流紋波率r 47
2．7 r與電感值的關係47
2．8 r的**優值48
2．9 是電感尺寸，還是電感值49
2．10 負載電流對電感值和電感尺寸的影響50
2．11 供應商如何標定成品電感的額定電流，以及如何選擇電感50
2．12 給定應用中需要考慮的電感電流額定值51
2．13 電流限制的範圍和容限53
2．14 實例(1) 55
2．14．1 設置r值時，對電流限制的考慮56
2．14．2 r值固定時，對連續導通模式的考慮57
2．14．3 使用低等效串聯電阻的電容時，r值應設為大於0．4 58
2．14．4 設置r值以避免器件特殊性帶來的問題59
2．14．5 設置r值以避免次諧波振盪60
2．14．6 使用L×I和負載縮放法快速選擇電感63
2．15 實例(2、3和4) 63
2．15．1 強迫連續導通模式下的電流紋波率r 64
2．15．2 基本磁定義65
2．16 實例(5)不增加匝數67
2．16．1 磁場紋波係數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 實例(6)特定應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變換器設計和磁性元件74
2．17．8 溫升74
2．18 其他極限應力計算及其選擇標準75
2．18．1 **大磁芯損耗75
2．18．2 **大二極管損耗76
2．18．3 一般二極管選擇步驟76
2．18．4 **大開關損耗77
2．18．5 一般開關管選擇步驟78
2．18．6 **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 **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計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 穩壓管箝位損耗87
3．1．7 副邊側漏感也影響原邊側87
3．1．8 測量有效的原邊側漏感88
3．1．9 實例(7)反激變壓器設計88
3．1．10 選擇線規和銅箔厚度93
3．2 正激變換器的磁性元件96
3．2．1 佔空比96
3．2．2 **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係100
3．2．5 實例(8)正激變壓器設計101

第4章拓撲的常見問題和解答113

第5章高級磁技術：**優磁芯選擇128
5．1 第1部分：能量傳輸原理128
5．1．1 拓撲概述128
5．1．2 能量傳輸圖133
5．1．3 峰值儲能要求138
5．1．4 根據預期電流紋波計算電感值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 有氣隙磁芯的儲能和z因數145
5．2．3 有氣隙磁芯的能量與磁芯體積的關係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反激變壓器設計細節153
5．5 第5部分：更多AC-DC正激變換器變壓器設計細節157

第6章元器件額定值、應力、可靠性和壽命163
6．1 引言163
6．2 應力和降額163
6．3 第1部分：功率變換器的額定值和降額166
6．3．1 工作環境166
6．3．2 電源中元器件的額定值和應力係數169
6．3．3 機械應力177
6．4 第2部分：平均無故障時間、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 壽命期望和失效標準181
6．4．4 可靠性預測方法182
6．4．5 驗證可靠性測試183
6．4．6 加速壽命試驗184
6．5 第3部分：鋁電解電容壽命預測185

第7章**優功率器件選擇190
7．1 概述190
7．2 功率變換器的主要應力190
7．3 不同拓撲的波形和峰值電壓應力191
7．4 電流有效值和平均值的重要性195
7．5 二極管、場效應管和電感的電流有效值和平均值計算196
7．6 電容的電流有效值和平均值計算198
7．7 蜘蛛狀應力曲線204
7．8 降低AC-DC變換器應力206
7．9 RCD箝位和RCD吸收電路208

第8章導通損耗和開關損耗213
8．1 阻性負載時的開關轉換過程213
8．2 感性負載時的開關轉換過程216
8．3 開關損耗和導通損耗218
8．4 感性負載時用於開關損耗研究的MOSFET簡化模型219
8．5 寄生電容在交流系統中的表示方法220
8．6 柵極閾值電壓221
8．7 導通轉換過程222
8．8 關斷轉換過程225
8．9 柵荷係數229
8．10 實例230
8．10．1 導通過程231
8．10．2 關斷過程232
8．11 開關拓撲的開關損耗分析233
8．12 開關損耗對應的**惡劣輸入電壓233
8．13 開關損耗隨寄生電容變化234
8．14 根據MOSFET特性優化驅動能力235

第9章探索新拓撲237
9．1 第1部分：恆頻同步降壓拓撲237
9．1．1 用場效應管(安全地)替代二極管237
9．1．2 死區時間的產生239
9．1．3 CdV dt引起場效應管導通239
9．1．4 體二極管續流240
9．1．5 外部(並聯)肖特基二極管241
9．1．6 同步(互補)驅動242
9．2 第2部分：恆頻同步升壓拓撲242
9．3 第3部分：電流檢測的分類及其常規技術246
9．3．1 直流電阻檢測247
9．3．2 無感降壓單元251
9．3．3 無損下垂調整和動態電壓調整253
9．4 第4部分：四管升降壓拓撲255
9．5 第5部分：輔助端和復合拓撲259
9．5．1 是升壓拓撲還是升降壓拓撲260
9．5．2 理解Cuk、Sepic和Zeta拓撲261
9．5．3 計算Cuk、Sepic和Zeta變換器的電流波形266
9．5．4 Cuk、Sepic和Zeta拓撲的應力和元器件選擇標準267
9．6 第6部分：結構和拓撲形態268
9．7 第7部分：其他拓撲和技術272
9．7．1 隱藏的輔助端和對稱性272
9．7．2 多輸出和浮動降壓調整器273
9．7．3 滯環控制器274
9．7．4 跨脈沖模式277
9．7．5 實現正激變換器變壓器復位278

第10章印製電路板設計281
10．1 引言281
10．2 印製線分析281
10．3 設計要點282
10．4 熱管理問題286

第11章熱管理288
11．1 熱阻和電路板結構288
11．2 歷史定義290
11．3 自然對流的經驗方程291
11．4 兩個標準經驗方程對比292
11．4．1 熱動力學理論中的h 293
11．4．2 印製電路板銅面積估算294
11．5 銅印製線尺寸294
11．6 一定海拔高度上的自然對流295
11．7 強制空氣冷卻295
11．8 熱輻射傳遞296
11．9 其他問題297

第12章反饋環路分析及穩定性298
12．1 傳遞函數、時間常數和激勵函數298
12．2 理解e並繪製對數坐標曲線299
12．3 複數表示法300
12．4 重複和非重複激勵：時域和頻域分析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、增益和伯德圖306
12．9 積分運算放大器(零極點濾波器) 308
12．10 對數坐標系下的數學運算310
12．11 後級LC濾波器的傳遞函數310
12．12 無源濾波器傳遞函數小結313
12．13 極點和零點314
12．14 極點和零點的相互作用315
12．15 閉環增益和開環增益316
12．16 分壓器318
12．17 脈寬調製器的傳遞函數318
12．18 電壓(輸入)前饋320
12．19 功率級傳遞函數320
12．20 拓撲結構的被控對像傳遞函數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324
12．22 閉環326
12．23 環路穩定性判據及策略328
12．24 繪製三種拓撲的開環增益328
12．25 等效串聯電阻零點332
12．26 高頻極點332
12．27 設計3型運算放大器補償網絡333
12．28 優化反饋環路336
12．29 輸入紋波抑制337
12．30 負載的暫態響應338
12．31 1型和2型補償339
12．32 跨導運算放大器補償340
12．33 更簡單的跨導運算放大器補償343
12．34 電流模式控制補償344

第13章高級命題：並聯、交錯和負載均流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 降壓變換器的並聯和交錯360
13．2．4 交錯式降壓變換器的應力有效值封閉形式方程364
13．2．5 交錯式升壓功率因數校正變換器367
13．2．6 交錯式多相變換器367
13．3 第3部分：交錯式降壓變換器中的耦合電感367
13．4 第4部分：並聯變換器的負載均流377
13．4．1 被動式均流377
13．4．2 主動式負載均流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變換器設計的影響389
14．2．6 常用反激電源失效保護方案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 利用速查數據或“北極模擬法”的算例393
14．2．10 電容公差和壽命394
14．2．11 保持時間395
14．2．12 兩種不同的滿足保持時間要求的反激變換器設計策略399
14．3 第2部分：大功率應用和功率因數校正401
14．3．1 概述401
14．3．2 如何使升壓拓撲呈現正弦波輸入電流404
14．3．3 功率因數校正級和脈寬調製級的反同步技術407
14．3．4 採用或不採用反同步技術時電容電流有效值計算412
14．3．5 交錯式升壓功率因數校正級414
14．3．6 功率因數校正級的實際設計問題414
14．3．7 功率因數校正扼流圈設計準則415
14．3．8 功率因數校正扼流圈的磁芯損耗417
14．3．9 臨界升壓有源功率因數校正級418

第15章電磁干擾標準及測量419
15．1 第1部分：概述419
15．1．1 標準419
15．1．2 電磁干擾限制420
15．1．3 一些與成本相關的經驗法則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 準峰值、平均值和峰值測量427
15．2 第2部分：傳導電磁干擾測量428
15．2．1 差模和共模噪聲428
15．2．2 用線路阻抗穩定網絡測量傳導電磁干擾430
15．2．3 用簡單的數學方法估算**大傳導噪聲電流432
15．2．4 用於傳導電磁干擾診斷的共模和差模分量432
15．2．5 用於輻射電磁干擾診斷的近場嗅探器436

第16章實用電源電磁干擾濾波器及噪聲源437
16．1 第1部分：實用電源濾波器437
16．1．1 電磁干擾濾波器設計中的基本安全問題437
16．1．2 四種常用的塗層工藝及其優缺點438
16．1．3 總Y電容的安全限制439
16．1．4 實用電源濾波器439
16．1．5 等效差模和共模電路檢查及濾波器設計要點445
16．1．6 接地扼流圈446
16．1．7 電磁干擾濾波器設計方面一些值得注意的工業經驗447
16．2 第2部分：開關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 機殼上安裝半導體器件450
16．2．4 共模噪聲源450
16．2．5 高性價比濾波器設計451

第17章電路板電磁干擾治理及輸入濾波器穩定性453
17．1 第1部分：減少電磁干擾的實用技術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 輻射測試會失敗嗎460
17．2 第2部分：電源模塊及輸入不穩定性461

第18章電磁難題背後的數學466
18．1 電源中的傅里葉級數466
18．2 方波466
18．3 辛克函數468
18．4 傅里葉級數的幅值包絡線470
18．5 實用差模濾波器設計472
18．5．1 等效串聯電阻估計473
18．5．2 高電網電壓下的差模濾波器計算474
18．5．3 低電網電壓下的差模濾波器計算475
18．5．4 濾波器的安全裕量477
18．6 實用共模濾波器設計477

第19章算例481
19．1 算例481
19．2 第1部分：場效應管的選擇486
19．3 第2部分：場效應管的導通損耗487
19．4 第3部分：場效應管的開關損耗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495
19．9 第8部分：結溫估計495
19．10 第9部分：控制環設計496

附錄500
索引507

偶爾會有特別膽大的應聘者提出，開關打開時電感電流“以指數規律衰減到零”。此時問題又來了：若果真如此，電感電流為何來無影，去無踪呢？要知道，電流是始終需要在閉合迴路中流動的（基爾霍夫定律）！
但是，別急！已經完全理解了電感的充電階段嗎？這才是真正的問題所在！需要認真研究。
1.3.4 充電階段和感應電壓概念
大多數設計人員都在直覺上沉醉於腦海中多年形成的電容充電畫面：累積電荷一直努力排斥任何試圖爬到電容極板上的電荷，直至最終達到平衡狀態，輸入電荷（電流）減小到接近於零。這幅畫面從直觀上也令人放心，因為在潛意識裡，它非常接近於現實生活中的情形。例如，在高峰時段的站台上，有多少乘客能擠上一輛已經很擁擠的公交車呢？這取決於車（雙層巴士或其他車型）的載客量，還有乘客們拼命上車的決心（類似於外加電壓）。
但是，似乎無法輕易找出與電感充電電路（即開關閉合階段）直接對應的現實生活經驗。基本問題是：在電感電路中，為什麼充電電流實際上是隨時間推移而逐漸增加的呢？或者說，是什麼因素限制了電流初始值呢？眾所周知，電容電荷相互排斥的現像在電感中並不存在。那究竟是什麼原因呢？
更基本的問題是：電感兩端為什麼存在電壓呢？由公認的歐姆定律（V=I×R）可知，電阻兩端存在電壓，這毫無異議。但電感（幾乎）沒有電阻，它從本質上講只是一段（繞在磁芯上的）固體銅導線。那麼，它如何保持電壓呢？實際上，電容能保持電壓的現像很容易理解。但理解電感並非易事！而且，如果人們在學校裡所學的“電場由電壓梯度dV／dx（x表示距離）定義”準確無誤，那麼此時面對的問題是：必須解釋電感中神秘的電場所在何處，又從何而來呢？
答案是：根據楞次定律和法拉第定律，由於存在感應電壓，電感電流不能立刻建立起來。根據定義，感應電壓反抗任何改變電感中磁通（或電流）的外部努力。因此，如果電流是固定不變的，就不會產生電感電壓，此時電感特性就像一段純導線。但是，一旦電流試圖改變，電感兩端就會產生感應電壓。根據定義，任意時刻測得的電感電壓等於感應電壓。
注意 電容與電感之間以及電壓與電流之間的可類比性遠遠超出對偶原理所述。例如，在歷史上的某個時期，出現過同樣令人困惑的問題。當電容兩端的外加電壓改變時，電流究竟是如何流過電容的呢？考慮到電容基本上是兩塊金屬極板以及極板間（非導電）的絕緣介質構成的，以上說法似乎與絕緣介質的特性有些矛盾。該現象最終由電壓改變時流過（或看似流過）極板的位移電流來解釋。事實上，位移電流完全可以類比成感應電壓，以解釋電感電流改變時，電感兩端存在電壓的現象。