前言
KeithBillings在20多年前就意识到许多工程师希望出版一本开关电源方面的通用手册,于是编写了本书第1版。本书实用性强,通俗易懂,包含了当今许多常用的技术,同时也介绍了最新的发展动态。作者将以往学生和初级工程师在学习此门课程中最为关心的问题进行了综合,并根据自己在处理这些问题中积累的经验,通过一些简单易懂的设计实例,对该主题进行了最为直接的讨论,书中所列举的例子不需读者事先具备相关的知识。本书还详细介绍了绕线元件的设计,绕线元件直接关系着系统的性能,不过并不太容易理解。在第3版中,作者继续采用前两版中广受欢迎的易于接受、非学术性、将简单理论和数学分析相结合的编写风格,为了简单起见,还在完全严格的书写方式上作出了取舍。因此,最新版理应再次得到包括学生、初级工程师、感兴趣的非专业使用者和专业电源工程师在内的广大读者的青睐。
新版既有简单的系统说明(包括典型的规格和性能参数),也有最终元件、散热以及电路设计和评估,还包括谐振与准谐振系统、高效率大容量移相调制变换器等新的内容。同前两版一样,为了简化设计,本书在很多情况下使用了诺模图,其中很多方法是由作者本人在使用诺模图时改进的。一些更深层次的理论包含在附录中,想进一步深入了解的读者可以查阅附录和书后参考文献所列的一些优秀的专业图书和论文。
自20世纪70年代以来,开关电源应用设计从最初的被人们所忽视的“秘技”发展成了一门精确的工程科学。电子元件缩微化和太空探索的迅猛发展使得对小而高效的电源处理设备的需求不断增加。最近几年,这种需求已经引起了许多全球最卓越的电子工程师的关注。随着研究和发展的深入,现在已经出现了很多创新,拓扑也随之愈加复杂。
到目前为止,还没有哪个单一的“理想系统”能满足所有的需要。每一种拓扑都会有相应的优缺点,对于特定的应用,为了确定其最优的方法,电源设计者需要具备相应的技能和经验,能够找出最合适的拓扑结构的规格需求。
现代开关电源在更复杂的处理系统中只占相当小的部分,因此,除了提供电器元件所必需的电压和电流外,开关电源还提供了其他一些辅助的功能,例如电源良好信号(显示当前输出均在其指定的范围内)、电源故障报警信号(提供高级的电源故障报警)和温度过高时的保护功能(当系统温度过高时,此功能将会停止系统的工作进程以避免造成损坏)。此外,开关电源能根据外部信号进行开关转换。限压和限流电路将会保护电源,使其避免在故障条件下工作。对于敏感负载要使用过压保护,在某些特殊的应用中,要使开关频率与外部时钟频率同步。因此,电源设计人员必须理解并有能力满足许多相关的要求。
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致谢
没有人是孤立存在的。我们的进步不仅仅是自己努力的结果,也是我们利用周围人的成果和站在前人肩上的结果。为此本书中列出了许多参考文献,我要感谢它们的作者。在这里我要强调的是,还有许许多多的参考文献应该列举出来,但查询知识点的出处确实是一件艰巨的工作,对此遗漏我深表歉意。
我要感谢对本书第3版做出贡献的人员,特别感谢我工程上的同事和合著者TaylorMorey,他用了大量的时间仔细校对了新稿和其中的计算,并且撰写了新版第四部分的第4章和第5章。感谢Unitrode公司和LloydH.Dixon,Jr.,允许我们使用他在“右半平面零点”方面的研究成果。感谢德州仪器公司允许我们使用其应用资料。感谢McGraw Hill公司的编辑和员工,他们为本书的出版做了大量的工作。
KeithBillings
第一部分 常用离线开关电源的
功能和基本要求
第1章 基本要求概述 1
第2章 交流电力线的浪涌保护 11
第3章 开关电源的电磁干扰 21
第4章 静电屏蔽 31
第5章 熔断器选择 36
第6章 离线开关电源的整流与电容输入滤波 39
第7章 浪涌控制 53
第8章 启动方法 56
第9章 软启动与低压禁止 59
第10章 接通电压过冲抑制 63
第11章 过压保护 66
第12章 欠压保护 76
第13章 过载保护 81
第14章 折返输出限流 85
第15章 高压双极型晶体管基极驱动的基本条件 91
第16章 双极型晶体管的比例驱动电路 95
第17章 高压晶体管的抗饱和技术 99
第18章 缓冲网络 101
第19章 交叉导通 109
第20章 输出滤波器 113
第21章 供电故障报警电路 123
第22章 多输出变换器的辅助输出电压的中心校正 130
第23章 辅助电源系统 133
第24章 稳压电源的并联工作 148
第二部分 设计: 理论与实践
第1章 多输出反激开关电源 153
第2章 反激变压器设计———针对离线反激式开关电源 163
第3章 减小晶体管开关应力 174
第4章 选择反激变换器功率元件 178
第5章 对角半桥反激变换器 183
第6章 自激振荡直接离线反激变换器 187
第7章 应用电流型控制的反激
第8章 离线单端正激变换器 198
第9章 正激变换器的变压器设计 202
第10章 对角半桥正激变换器 209
第11章 对角半桥正激变换器变压器设计 212
第12章 半桥推挽占空比控制变换器 217
第13章 桥式变换器 226
第14章 低功率自激振荡辅助变换器 236
第15章 单变压器双晶体管自激振荡变换器 240
第16章 双变压器自激振荡变换器 249
第17章 DC-DC变压器概念 253
第18章 多输出混合调整系统 256
第19章 占空比控制推挽变换器 261
第20章 DC-DC开关变换器 270
第21章 高频可饱和电抗功率调节器(磁占空比控制) 280
第22章 恒流电源 292
第23章 可调线性电源 295
第24章 可调开关电源 302
第25章 可调开关电源的变压器设计 314
第三部分 应用设计
第1章 开关电源中的电感和扼流圈 319
第2章 大电流铁粉磁心扼流圈 340
第3章 铁粉环型磁心扼流圈 349
附录3.A 面积乘积公式的推导(储能扼流圈) 358
附录3.B 填充系数和电阻系数的推导 362
附录3.C 图3.3.1所示诺模图的推导 364
第4章 开关型变压器的设计(一般原则) 365
附录4.A 变压器设计中AP 公式的推导 388
附录4.B 高频变压器绕组的集肤和邻近效应 391
第5章 利用诺模图优化150W 变压器的设计示例 398
第6章 变压器的阶梯式趋于饱和效应 403
第7章 双倍磁通 407
第8章 开关电源的稳定性和控制环路补偿 408
第9章 右半平面零点 419
第10章 电流型控制的控制方式 424
第11章 光电耦合器 437
第12章 开关电源用电解电容器的纹波电流额定值 441
第13章 无感分流器 445
第14章 电流互感器 448
第15章 测量用的电流探头 461
第16章 开关电源的散热管理 467
第四部分 补充内容
第1章 有源功率因数校正 483
附录1.A 用于功率因数校正升压电路的扼流圈的设计实例 532
第2章 硬开关的优缺点以及全谐振式开关电源 536
第3章 准谐振式开关变换器 550
第4章 全谐振式自激振荡电流型MOSFET型正弦波变换器 579
第5章 单一电压控制的宽范围正弦波振荡器 587
电源常用术语 591
参考文献 601