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開關電源工程化實用設計指南：從研發到智造（簡體書）
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商品簡介
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目次
商品簡介
本書對消費性電源中的主流電源拓撲進行了實際案例設計和分析，逐步給出了完整的工程化產品從研發到製造的過程，並從產品生命週期的角度對消費性電源產品的設計、生產、維護等方面，給讀者提供了足夠的實例分析、標準解析、經驗分享。作為一本以工程化實用性為導向的書籍，本書作者對當前電源的能效標準、安全標準、性能要求做了深刻解讀，通過海量案例驗證分析，給讀者呈現了消費性電源產品從研發設計到生產，以及終端應用中的各種知識。
本書適合剛進入電源設計行業，以及長期工作在電源產品設計行業的一線工程技術人員使用參考，同時也適合各大院校電力電子、電子信息工程、自動化等專業的師生作為指導教材或實驗課程教材。
本書適合剛進入電源設計行業，以及長期工作在電源產品設計行業的一線工程技術人員使用參考，同時也適合各大院校電力電子、電子信息工程、自動化等專業的師生作為指導教材或實驗課程教材。
名人/編輯推薦
編排完全按照工程化設計為目標，以消費性電源產品為主線，站在巨人的肩膀上，通過系統追溯，對海量行業技術資料進行梳理，對當前消費性電源產品的能效標準、安全標準、性能要求做了深刻分析和擴充，希望能給工程技術
目次
序作者簡介
第1章 單級功率因數校正(PFC)電路工程化實用設計……… 1
1.1
功率因數(PF)的歷史淵源 …………………………………………… 1
1.1.1 有功功率、無功功率及其他概念 ……………………………… 5
1.1.2 位移因數和 THD的各自影響 …………………………………… 7
1.2
深度理解 PF與 THD …………………………………………………… 9
1.3
全球現行標準關於 PF和 THD的要求 …………………………………12
1.4
產品真的需要這麼嚴格的 PF和 THD要求嗎 …………………………23
1.5
PF與 THD優化的工程化方法 …………………………………………25
1.5.1 單級反激式 APFC電路和雙級 APFC電路 ……………………26
1.5.2 單級反激式 APFC電路應用中的問題 …………………………27
1.6
單級 PFC LED驅動電源工程研發實例 ………………………………… 29
1.6.1 元器件工程化設計指南―降額設計 …………………………29
1.6.2 LED驅動電源一般性能指標要求 ………………………………38
1.6.3 單級 PFC的變壓器選型 …………………………………………38
1.6.4 Mathcad理論計算 ………………………………………………40
1.6.5 工程化驗證分析 …………………………………………………43
1.7 光閃爍以及對策 …………………………………………………………58
1.7.1 光閃爍的背景 ……………………………………………………58
1.7.2 一些評價指標 ……………………………………………………60
1.7.3 光閃爍的評價測試方法 …………………………………………63
1.7.4 光閃爍的現行法規要求 …………………………………………65
1.7.5 改善閃爍的技術方案及生產製造的問題 ………………………71
1.7.6 一個具體產品的測試結果及分析 ………………………………74
1.8 參考文獻 …………………………………………………………………76
開關電源工程化實用設計指南―從研發到智造
第2章 准諧振反激電源的工程化設計… …………………………… 78
2.1 能效是永恆的追求 ………………………………………………………78
2.1.1 現行全球主流能效標準概覽 ……………………………………79
2.1.2 如何提升效率並滿足能效要求 …………………………………84
2.2 准諧振(QR)的工作原理深入解析 …………………………………… 92
2.2.1 波形振盪的定性和定量分析 ……………………………………92
2.2.2 定性以及定量分析兩個振盪的頻率 ……………………………94
2.3 APFC +QR Flyback拓撲的研發工程實例 ……………………………… 95
2.3.1 本項目主要指標 …………………………………………………95
2.3.2 Mathcad理論計算 ………………………………………………97
2.3.3 電壓環和電流環分析 ………………………………………… 101
2.3.4 不同工況下實測波形分析 …………………………………… 104
2.4 有源鉗位拓撲 ………………………………………………………… 122
2.5 參考文獻 ……………………………………………………………… 124
第3章 LLC諧振半橋變換器工程化設計… …………………… 125
3.1 諧振電路的起源 ……………………………………………………… 125
3.1.1 什麼是諧振 …………………………………………………… 125
3.1.2 LLC重新得到重視 …………………………………………… 128
3.2 基本諧振拓撲比較 …………………………………………………… 129
3.2.1 串聯諧振變換器 ……………………………………………… 129
3.2.2 並聯諧振變換器 ……………………………………………… 131
3.2.3 串並聯諧振變換器 …………………………………………… 132
3.2.4 從 LCC到 LLC ………………………………………………… 133
3.2.5 LLC架構的選擇 ……………………………………………… 136
3.3 LLC現有的分析方法及不足 ………………………………………… 137
3.3.1 兩個諧振頻率的由來 ………………………………………… 137
3.3.2 通俗易懂介紹 FHA …………………………………………… 138
3.3.3 現存各種各樣的 LLC設計參考資料 ………………………… 141
3.3.4 FHA的缺陷和誤差 …………………………………………… 141
3.4 工作狀態的變化 ……………………………………………………… 144
3.4.1 不同情況下的增益 …………………………………………… 144
3.4.2 ZVS實現的條件 ……………………………………………… 147
3.4.3 上諧振或下諧振的選擇 ……………………………………… 148
3.5 LLC簡化設計步驟 …………………………………………………… 150
3.6 工程化驗證 …………………………………………………………… 150
3.6.1 LLC穩態關鍵點波形 ………………………………………… 152
3.6.2 LLC其他工況下的波形 ……………………………………… 157
3.7 其他難點和可選擇的方案 ……………………………………………
164 3.8 參考文獻 ……………………………………………………………… 165
第4章 電磁兼容(EMC)與安規認證工程化設計… ………… 167
4.1 易混淆的概念 ………………………………………………………… 167
4.2 A類和 B類 …………………………………………………………… 168
4.3 電磁干擾(EMI)測試過程中遇到的問題 ………………………… 169
4.3.1 測試實驗室裡的秘密 ………………………………………… 169
4.3.2 6dB裕量的故事 ……………………………………………… 170
4.3.3 EMI測試過程的小技巧 ……………………………………… 172
4.3.4 CDN代替測試方法 …………………………………………… 173
4.4 工程設計中 EMC的考慮 …………………………………………… 174
4.4.1 EMC與產品成本的關聯度 …………………………………… 174
4.4.2 工作頻率的選擇 ……………………………………………… 176
4.4.3 具體案例分析 ………………………………………………… 178
4.5 工程設計中對安規的考慮 …………………………………………… 195
4.5.1 安規的本質意義 ……………………………………………… 195
4.5.2 主要安規標準 ………………………………………………… 196
4.5.3 熔斷器、熔斷電阻器、銅箔等 ……………………………… 196
4.5.4 爬電距離與電氣間隙的真實情況 …………………………… 206
4.5.5 絕緣耐壓與距離的確定 ……………………………………… 208
4.5.6 海拔的影響 …………………………………………………… 212
4.5.7 安規標準中的單一故障失效與異常狀態 …………………… 214
4.6 統一的標準 IEC 62368―1 …………………………………………… 224
4.7 本章小節 ……………………………………………………………… 226
4.8 參考文獻 ……………………………………………………………… 227
第5章 研發到智造的經驗誤區及失效分析…………………… 228
5.1 示波器應用相關問題 ………………………………………………… 229
5.1.1 關於探頭 ……………………………………………………… 229
5.1.2 三劍客：帶寬、采樣率、存儲深度 ………………………… 234
5.1.3 差分電壓、浮地測量 ………………………………………… 236
開關電源工程化實用設計指南―從研發到智造
5.1.4 紋波電壓測試 ………………………………………………… 238
5.1.5 紋波電流測試 ………………………………………………… 240
5.1.6 示波器未來的形態 …………………………………………… 241
5.2 IoT輔助電源設計誤區 ……………………………………………… 242
5.2.1 一般指標要求 ………………………………………………… 244
5.2.2 紋波及動態要求 ……………………………………………… 246
5.3 待機功耗測試的誤區 ………………………………………………… 249
5.4 電容替換的誤區 ……………………………………………………… 250
5.5 開機浪湧電流的意義 ………………………………………………… 254
5.6 從零到無窮的過程 …………………………………………………… 258
5.7 失效分析的基本流程 ………………………………………………… 263
5.8 8D報告的意義 ………………………………………………………… 264
5.9 典型失效案例解析 …………………………………………………… 266
5.9.1 失效案例 1―雷擊浪湧失效………………………………… 266
5.9.2 失效案例 2―整流橋後薄膜電容失效……………………… 269
5.9.3 失效案例 3―色碼以及工字電感失效……………………… 272
5.9.4 失效案例 4―LED多路並聯不均失效 …………………… 274
5.9.5 失效案例 5―電源開機啟動時間不合規…………………… 277
5.9.6 失效案例 6―0～10V調光隔離相關問題 ………………… 281
5.9.7 失效案例 7―惡劣應用環境下高壓打火失效……………… 286
5.9.8 失效案例 8―感性容性混合負載的情況…………………… 289
5.9.9 失效案例 9―照明產品中的噪聲問題……………………… 290
5.9.10 失效案例 10―高壓線性恒流電路方案應用問題………… 295
5.9.11 失效案例 11―LED燈的微亮與“鬼火”問題 ………… 297
5.9.12 失效案例 12―系統中金屬基板共模浪湧的處理………… 299
5.9.13 失效案例 13―LED燈與燈具的耐壓測試失效 ………… 301
5.9.14 失效案例 14―智能照明中調色和調光斬波 MOSFET失效 …………………………………………………………… 303
5.9.15 失效案例 15―智能照明中重啟或頻繁閃爍問題………… 313
5.9.16 失效案例 16―電子產品外殼融化失效…………………… 319
5.10 小結 …………………………………………………………………… 330 5.11
參考文獻 ……………………………………………………………… 330
第1章 單級功率因數校正(PFC)電路工程化實用設計……… 1
1.1
功率因數(PF)的歷史淵源 …………………………………………… 1
1.1.1 有功功率、無功功率及其他概念 ……………………………… 5
1.1.2 位移因數和 THD的各自影響 …………………………………… 7
1.2
深度理解 PF與 THD …………………………………………………… 9
1.3
全球現行標準關於 PF和 THD的要求 …………………………………12
1.4
產品真的需要這麼嚴格的 PF和 THD要求嗎 …………………………23
1.5
PF與 THD優化的工程化方法 …………………………………………25
1.5.1 單級反激式 APFC電路和雙級 APFC電路 ……………………26
1.5.2 單級反激式 APFC電路應用中的問題 …………………………27
1.6
單級 PFC LED驅動電源工程研發實例 ………………………………… 29
1.6.1 元器件工程化設計指南―降額設計 …………………………29
1.6.2 LED驅動電源一般性能指標要求 ………………………………38
1.6.3 單級 PFC的變壓器選型 …………………………………………38
1.6.4 Mathcad理論計算 ………………………………………………40
1.6.5 工程化驗證分析 …………………………………………………43
1.7 光閃爍以及對策 …………………………………………………………58
1.7.1 光閃爍的背景 ……………………………………………………58
1.7.2 一些評價指標 ……………………………………………………60
1.7.3 光閃爍的評價測試方法 …………………………………………63
1.7.4 光閃爍的現行法規要求 …………………………………………65
1.7.5 改善閃爍的技術方案及生產製造的問題 ………………………71
1.7.6 一個具體產品的測試結果及分析 ………………………………74
1.8 參考文獻 …………………………………………………………………76
開關電源工程化實用設計指南―從研發到智造
第2章 准諧振反激電源的工程化設計… …………………………… 78
2.1 能效是永恆的追求 ………………………………………………………78
2.1.1 現行全球主流能效標準概覽 ……………………………………79
2.1.2 如何提升效率並滿足能效要求 …………………………………84
2.2 准諧振(QR)的工作原理深入解析 …………………………………… 92
2.2.1 波形振盪的定性和定量分析 ……………………………………92
2.2.2 定性以及定量分析兩個振盪的頻率 ……………………………94
2.3 APFC +QR Flyback拓撲的研發工程實例 ……………………………… 95
2.3.1 本項目主要指標 …………………………………………………95
2.3.2 Mathcad理論計算 ………………………………………………97
2.3.3 電壓環和電流環分析 ………………………………………… 101
2.3.4 不同工況下實測波形分析 …………………………………… 104
2.4 有源鉗位拓撲 ………………………………………………………… 122
2.5 參考文獻 ……………………………………………………………… 124
第3章 LLC諧振半橋變換器工程化設計… …………………… 125
3.1 諧振電路的起源 ……………………………………………………… 125
3.1.1 什麼是諧振 …………………………………………………… 125
3.1.2 LLC重新得到重視 …………………………………………… 128
3.2 基本諧振拓撲比較 …………………………………………………… 129
3.2.1 串聯諧振變換器 ……………………………………………… 129
3.2.2 並聯諧振變換器 ……………………………………………… 131
3.2.3 串並聯諧振變換器 …………………………………………… 132
3.2.4 從 LCC到 LLC ………………………………………………… 133
3.2.5 LLC架構的選擇 ……………………………………………… 136
3.3 LLC現有的分析方法及不足 ………………………………………… 137
3.3.1 兩個諧振頻率的由來 ………………………………………… 137
3.3.2 通俗易懂介紹 FHA …………………………………………… 138
3.3.3 現存各種各樣的 LLC設計參考資料 ………………………… 141
3.3.4 FHA的缺陷和誤差 …………………………………………… 141
3.4 工作狀態的變化 ……………………………………………………… 144
3.4.1 不同情況下的增益 …………………………………………… 144
3.4.2 ZVS實現的條件 ……………………………………………… 147
3.4.3 上諧振或下諧振的選擇 ……………………………………… 148
3.5 LLC簡化設計步驟 …………………………………………………… 150
3.6 工程化驗證 …………………………………………………………… 150
3.6.1 LLC穩態關鍵點波形 ………………………………………… 152
3.6.2 LLC其他工況下的波形 ……………………………………… 157
3.7 其他難點和可選擇的方案 ……………………………………………
164 3.8 參考文獻 ……………………………………………………………… 165
第4章 電磁兼容(EMC)與安規認證工程化設計… ………… 167
4.1 易混淆的概念 ………………………………………………………… 167
4.2 A類和 B類 …………………………………………………………… 168
4.3 電磁干擾(EMI)測試過程中遇到的問題 ………………………… 169
4.3.1 測試實驗室裡的秘密 ………………………………………… 169
4.3.2 6dB裕量的故事 ……………………………………………… 170
4.3.3 EMI測試過程的小技巧 ……………………………………… 172
4.3.4 CDN代替測試方法 …………………………………………… 173
4.4 工程設計中 EMC的考慮 …………………………………………… 174
4.4.1 EMC與產品成本的關聯度 …………………………………… 174
4.4.2 工作頻率的選擇 ……………………………………………… 176
4.4.3 具體案例分析 ………………………………………………… 178
4.5 工程設計中對安規的考慮 …………………………………………… 195
4.5.1 安規的本質意義 ……………………………………………… 195
4.5.2 主要安規標準 ………………………………………………… 196
4.5.3 熔斷器、熔斷電阻器、銅箔等 ……………………………… 196
4.5.4 爬電距離與電氣間隙的真實情況 …………………………… 206
4.5.5 絕緣耐壓與距離的確定 ……………………………………… 208
4.5.6 海拔的影響 …………………………………………………… 212
4.5.7 安規標準中的單一故障失效與異常狀態 …………………… 214
4.6 統一的標準 IEC 62368―1 …………………………………………… 224
4.7 本章小節 ……………………………………………………………… 226
4.8 參考文獻 ……………………………………………………………… 227
第5章 研發到智造的經驗誤區及失效分析…………………… 228
5.1 示波器應用相關問題 ………………………………………………… 229
5.1.1 關於探頭 ……………………………………………………… 229
5.1.2 三劍客：帶寬、采樣率、存儲深度 ………………………… 234
5.1.3 差分電壓、浮地測量 ………………………………………… 236
開關電源工程化實用設計指南―從研發到智造
5.1.4 紋波電壓測試 ………………………………………………… 238
5.1.5 紋波電流測試 ………………………………………………… 240
5.1.6 示波器未來的形態 …………………………………………… 241
5.2 IoT輔助電源設計誤區 ……………………………………………… 242
5.2.1 一般指標要求 ………………………………………………… 244
5.2.2 紋波及動態要求 ……………………………………………… 246
5.3 待機功耗測試的誤區 ………………………………………………… 249
5.4 電容替換的誤區 ……………………………………………………… 250
5.5 開機浪湧電流的意義 ………………………………………………… 254
5.6 從零到無窮的過程 …………………………………………………… 258
5.7 失效分析的基本流程 ………………………………………………… 263
5.8 8D報告的意義 ………………………………………………………… 264
5.9 典型失效案例解析 …………………………………………………… 266
5.9.1 失效案例 1―雷擊浪湧失效………………………………… 266
5.9.2 失效案例 2―整流橋後薄膜電容失效……………………… 269
5.9.3 失效案例 3―色碼以及工字電感失效……………………… 272
5.9.4 失效案例 4―LED多路並聯不均失效 …………………… 274
5.9.5 失效案例 5―電源開機啟動時間不合規…………………… 277
5.9.6 失效案例 6―0～10V調光隔離相關問題 ………………… 281
5.9.7 失效案例 7―惡劣應用環境下高壓打火失效……………… 286
5.9.8 失效案例 8―感性容性混合負載的情況…………………… 289
5.9.9 失效案例 9―照明產品中的噪聲問題……………………… 290
5.9.10 失效案例 10―高壓線性恒流電路方案應用問題………… 295
5.9.11 失效案例 11―LED燈的微亮與“鬼火”問題 ………… 297
5.9.12 失效案例 12―系統中金屬基板共模浪湧的處理………… 299
5.9.13 失效案例 13―LED燈與燈具的耐壓測試失效 ………… 301
5.9.14 失效案例 14―智能照明中調色和調光斬波 MOSFET失效 …………………………………………………………… 303
5.9.15 失效案例 15―智能照明中重啟或頻繁閃爍問題………… 313
5.9.16 失效案例 16―電子產品外殼融化失效…………………… 319
5.10 小結 …………………………………………………………………… 330 5.11
參考文獻 ……………………………………………………………… 330
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