内容简介
《开关电源理论及设计(第2版)》在实用和理论兼顾的情况下介绍了开关电源的理论和设计方法,是专门为从事开关电源技术、电力电子技术的科研人员及工程技术人员编写的书籍。书中系统地介绍了开关电源的基础理论知识、基本概念与原理,内容包括开关电源设计的一般考虑、拓扑的应用选择、常用元器件的选择、磁性元件的设计、辅助电路设计、闭环设计、损耗与散热设计、开关电源安全考虑和开关电源EMI控制。附录中有关于磁性元件和电容器的设计数据,便于学习和使用该书。该书是再版书,相比旧版,该书对部分内容进行了修改。
《开关电源理论及设计(第2版)》可以供从事开关电源的研发设计人员,以及从事电气工程自动化的设备制造与维修的工程技术人员和工程管理人员阅读和参考。
目录
第1章开关电源设计的一般考虑
1.1 概述
1.2 开关电源的技术指标
1.3 国内外的工频电网
1.4 蓄电池
1.4.1 铅蓄电池的工作原理
1.4.2 铅蓄电池的放电原理
1.4.3 铅蓄电池的充电原理
1.4.4 铅蓄电池的放电特性
1.4.5 容量
1.4.6 铅蓄电池的充电特性和充电方法
1.4.7 铅蓄电池的主要故障
1.5 负载
1.5.1 计算机电源
1.5.2 电话电源
1.5.3 LED照明电源
1.5.4 荧光灯电源
1.6 开关电源设计准备
1.6.1 拓扑选择
1.6.2 工作频率选择
1.6.3 效率与损耗分配
第2章拓扑的应用选择
2.1 引言
2.2 开关电源常用拓扑
2.2.1 Buck电路
2.2.2 反激变换器
2.2.3 正激变换器
2.2.4 推挽变换器
2.2.5 半桥式功率电路
2.2.6 全桥功率电路
2.3 有源功率因数校正
2.3.1 功率因数的概念
2.3.2 功率因数校正目的与意义
2.3.3 功率因数校正技术及其实用电路
2.3.4 Boost型PFC的工作原理与控制方法
2.4 谐振变换器
2.4.1 半桥零电压准谐振变换器
2.4.2 半桥零电流准谐振变换器
2.4.3 不对称半桥谐振变换器
2.4.4 LLC谐振变换器
2.5 开关电源的选择方法
第3章常用元器件的选择
3.1 电阻
3.1.1 电阻的类型
3.1.2 电阻值与公差
3.1.3 最大电压
3.1.4 功率定额
3.1.5 可变电阻
3.1.6 电阻的电感和电流检测电阻
3.1.7 表面贴装元件
3.1.8 压敏电阻
3.2 电容器
3.2.1 基本原理
3.2.2 电容量计算
3.2.3 电路中的电容
3.2.4 电容器的主要参数
3.2.5 电容类型和应用场合
3.2.6 开关电源中电容器选择和使用
3.3 功率半导体器件
3.3.1 功率二极管
3.3.2 功率开关晶体管
3.3.3 功率开关晶体管比较和选择
3.4 光电耦合器件
3.4.1 光电耦合器的工作原理
3.4.2 线性光电耦合器
3.5 运算放大器
3.5.1 结构封装
3.5.2 运算放大器的主要参数
3.5.3 运算放大器的使用和选择
3.6 比较器
3.6.1 单门限比较器
3.6.2 双门限比较器——迟滞比较器
第4章磁元件的设计
4.1 电磁的单位
4.1.1 磁感应强度
4.1.2 磁导率
4.1.3 磁场强度
4.1.4 磁通
4.2 两个基本定律
4.2.1 安培定律
4.2.2 电磁感应定律
4.2.3 能量守恒关系
4.3 电感与互感
4.4 单位之间的换算
4.5 变压器
4.5.1 理想变压器
4.5.2 实际变压器
4.5.3 反激变压器
4.6 磁性材料
4.6.1 材料的特性
4.6.2 剩磁感应
4.6.3 其他特性限制
4.7 磁性元件设计
4.7.1 磁性元件设计一般问题
4.7.2 变压器设计
4.7.3 电感设计
4.8 平面磁元件设计
4.8.1 平面变压器
4.8.2 扁平变压器的设计
4.8.3 集成磁技术
第5章辅助电路设计
5.1 控制电路
5.1.1 电压型集成控制电路
5.1.2 电流型集成控制电路
5.1.3 PFC和PWM控制的组合芯片
5.1.4 谐振控制芯片
5.1.5 高频开关电源软开关控制器
5.2 单片开关电源芯片
5.3 辅助电源
5.3.1 自举供电
5.3.2 独立辅助电压源
5.4 缓冲电路
5.4.1 缓冲电路的作用
5.4.2 RCD和RLD缓冲电路
5.4.3 无损缓冲电路
5.4.4 二极管缓冲电路和缓冲电路中电容选择
5.4.5 缓冲元件参数选择
第6章闭环设计
6.1 负反馈
6.1.1 负反馈的基本概念
6.1.2 负反馈基本关系
6.1.3 反馈深度与深度负反馈
6.1.4 环路增益
6.1.5 负反馈放大器的类型
6.2 频率响应
6.2.1 频率响应基本概念
6.2.2 基本电路的频率响应
6.3 负反馈自激振荡
6.3.1 负反馈放大器稳定工作条件
6.3.2 放大器频率特性的校正
6.4 开关电源闭环设计
6.4.1 概述
6.4.2 环路增益
6.4.3 误差放大器的幅频特性曲线的设计
6.4.4 考虑输出电容有Resr以及电路经过LC滤波器的相移
6.4.5 设计举例
6.4.6 Ⅲ型误差放大器和传递函数
6.4.7 设计举例
6.4.8 反馈环路的条件稳定
6.4.9 断续模式反激变换器的稳定
6.4.1 0断续模式反激变换器的误差放大器的传递函数
6.5 开关电源环路稳定的试验方法
6.5.1 开环响应测试
6.5.2 交流和直流信号叠加电路
6.5.3 在闭环情况下测量变换器环路响应
6.6 电流型控制变换器
6.6.1 电流型变换器的基本原理
6.6.2 非最小相位系统
6.6.3 系统稳定的一些概念
第7章损耗与散热设计
7.1 热传输
7.1.1 传导
7.1.2 辐射传热热阻
7.1.3 对流热阻
7.1.4 散热器计算举例
7.1.5 强迫对流
7.2 半导体器件结温和损耗
前言/序言
电能具有清洁、安静、容易实现自动控制等特点,随着利用电能工作的设备越来越多,不仅在所有的军用、工业和一般的民用电子设备上需要电能,而且在许多场合,如焊接、冶炼、电解、电镀、热处理、环保除尘等设备中也需要各种特殊规格的电能,把这种供给用电设备工作的装置称为电源。目前,只要用电的地方都有电源的存在。
水力发电、火力发电、光伏发电、风能发电及核电等各种发电形式构成的电网所提供的电能是不能直接用来给电子设备上的电子元件供电的,因为电子元件的技术要求与电网提供的技术指标不同。电网上的电也称为“粗电”;用电设备所需要的电是根据具体设备要求提出的,也称为“精电”。如何将电网上的“粗电”转变成电子设备所需的“精电”,这个变换装置常称为二次电源,或直流变换装置,也可以直接称为电源。现在用得最多的是开关电源,对组成开关电源的各个部分进行理论分析设计,重点器材选型就是本书要讨论的问题。
电源就如新鲜的“血液”一样通过电流向用电设备输送优质的电能,所以电源性能的好坏直接影响到整个用电设备的运行质量。
用电设备就如饭店的顾客,有不同的胃口;电源的技术指标就如同菜谱,必须遵守各种食品安全等法律、法规。接人电网的电源设备必须遵守各种安规标准。
从事电源技术研究与产品开发的人员,必须有十分宽广的知识面,因为电源涉及到多门学科的知识,例如磁性材料、电子元器件、集成电路、计算机技术、发热与冷却等工程应用知识。除此之外,电源本身是自成一体的闭环系统,只有闭环负反馈系统才能提高电源品质,但是功率处理开关工作在非线性状态,所以形成的闭环系统是一个典型的非线性系统。
电源中要用到许多磁性材料,磁性材料是非线性的且会饱和的,磁导率不是无穷大,磁性元件周围总有漏磁存在;电路中寄生的电感和电容到处存在,工作频率改变,相应地,性能参数立即发生变化。磁性元件设计时总是要经过多次校验和优化。磁性元件不易集成,即使磁集成技术也只是相对而言,也无法进行标准化、机械化流水线生产,它是劳动力相对密集的产业。即使是经过充分试验的电源产品,要进行批量生产,还需大量的调试试验,因为元器件的参数有离散性,随温度变化离散性还会加剧。要交付使用的电源要进行许多接入电网的试验,还要考虑用电设备对电源的影响。
由于电源的刚性需求及产品生产研发的特点,需要的技术人员多,而且培养一名电源技术人员,经济成本和时间成本较高。研制电源必须建立在足够的试验基础上,研发电源具有“只有更好没有最好”的特点,永无止境。
电源还受到用电设备技术发展的激励,例如,CPU的频率高了;用电设备体积小了,比如超薄电视、笔记本电脑、掌上电脑产品的出现,电源设计也要进行相应的改变。因此,电源问题的解决起着关键作用。
电源的可靠性和生命力应摆在首位,一个系统如果没有正常电源,就无法工作,即使是最优秀的设计也无法展现,就如人断了食物一样。
国内的开关电源经历了30多年的发展,有相当的成就。本书收集了各种文献资料,并对长期的电源教学、科研实践进行了总结、归纳和提炼。
作为电源工程师的培训教学用书,以讲解电源的基本原理和组成结构为主,不可能穷尽电源的各种形式原理,本书希望培养读者“渔”的能力,而不是赠予“鱼”。书中的分析例子选自常用电源的部分线路图,以说明工作原理。学习者掌握了基本原理,就应着力培养举一反三和融会贯通的能力。
考虑到读者已经具备工科的数理基础,并且已具备电路分析基础、数字电路、模拟电路、自动控制原理、电气原理、磁场理论及电力电子技术等基础和专业知识,所以涉及的有关定理、公式推导与证明,本书不再详述,只对物理概念作了简略讲述。在编著体系和叙述方法上除考虑教学要求外,还顾及到自学的需要,便于读者掌握和运用所讲述的内容,编人了各种电路图例及分析。
磁性元件不像其他电路器件那样是选用的,在开关电源设计中是需要由研究人员专门设计的,电路器件可以根据要求直接查阅生产厂家的产品手册选用。因此,在附录中提供了构成变压器的常用的导线、磁芯、绝缘材料等产品参数与规格,尽管想更详尽地告诉读者,但篇幅有限,磁芯材料的厂家与种类太多不能穷尽,只列出使用频度高些的数据,供使用者参考。
另外,电容也是储能元件之一,电容品种繁多、结构参数差异较大,应用场合不同,电容的选取也不一样,所以提供了一些开关电源中使用的电容,供读者选用参考。
书中所选的内容适用于科研和生产部门的电源技术人员及相关科技人员参考,也可作为电源技术专业、电力电子专业、电气自动化专业本科生和研究生的专业课教学参考书。
书中涉及的一些电气和电子方面的名词术语、计量单位,力求与国际计量委员会、国家技术监督局颁发的文件相符。
本书部分内容是作者科研工作的总结,在编写过程中得到南京航空航天大学赵修科教授的指