開關電源設計入門 （簡體書）

沙占友，1968年畢業干南開大學，河北科技大學二級教授。博士生導師，享受國務院政府特殊津貼專家。校級教學名師，河北省優秀教師。長期從事數字化測量技術、智能傳感器系統及開關電源的研究工作。已出版《開關電源優化設計》、《LED照明驅動電源優化設計》、《數字化測量技術》（高校教材）、《單片機外圍電路設計》（獲全國優秀暢銷書獎）、《單晶片交換式電源設計與應用技術》（中國臺灣·全華科技圖書股份有限公司）、《智能傳感器系統設計與應用》等60部著作，發表學術論文342篇。曾先后獲得河北省普通高校優秀教學成果一等獎、河北省科技進步獎、河北省十大發明獎和’97布魯塞爾尤里卡銀獎。

《開關電源設計入門》融實用性、科學性于一體，內容由淺入深，循序漸進，通俗易懂，圖文并茂，是一本開關電源的入門指南，適合開關電源行業中的工程技術人員和初學者閱讀。

開關電源是重要的動力之源。盡管開關電源的電路可以千變萬化，其基本構成卻大致相同。主要包括一次側外圍電路（含輸入端保護電路、輸入整流濾波器和鉗位保護電路）、主控制芯片（PWM控制器或單片開關電源集成電路）、高頻變壓器、二次側輸出電路、反饋電路、偏置電路及其他保護電路。
隨著我國電源產業的飛速發展，目前有許多讀者迫切需要能全面、系統地掌握開關電源的入門知識、從單元電路到整機電路的設計方法、設計實例及注意事項。為此，作者曾撰寫《開關電源設計入門與實例解析》，該書于2009年出版后已先后經過4次印刷，深受廣大讀者歡迎。鑒于近幾年來開關電源技術發展很快，各種新型開關電源專用芯片也不斷涌現，為適應新形勢、新技術的發展需要，現以原著部分內容為基礎，補充了作者近年來積累的許多新經驗后撰成此書，定名為《開關電源設計入門》，以饗廣大的新、老讀者。
本書融科學性、先進性、系統性、實用性于一體，主要有以下特點：
第一，題材新穎，編排合理。本書遵循先易后難、化整為零、突出重點和難點的原則，在介紹開關電源基本原理與構成的基礎上，將開關電源劃分成若干個基本單元電路，依次闡述開關電源一次側、二次側電路及反饋電路的設計、高頻變壓器的設計，然后介紹整機電路設計。
第二，全面、系統地闡述了開關電源的基本設計方法和設計要點。以第三章為例，所介紹開關電源單元電路的設計，不僅包括輸入保護電路、電磁干擾濾波器和輸入整流濾波電路，還包括漏極鉗位保護電路的設計、功率開關管的選擇、輸出整流濾波電路的選擇、光耦反饋電路的設計等內容，給讀者以完整、清晰的概念。
第三，深入淺出，通俗易懂，實用性強。例如，第一、二章分別講述開關電源的基礎知識和基本電路，作為初學者的入門篇。第四章專門介紹高頻變壓器的設計，第五章詳細闡述設計開關電源整機電路的關鍵技術，還介紹了開關電源散熱器實用設計方法及設計實例。這對讀者學習設計和制作開關電源具有重要參考價值。
第四，信息量大，知識面寬，便于讀者觸類旁通，舉一反三，靈活運用。
沙占友教授撰寫了第一章、第三章和第五章，并完成了全書的審閱和統稿工作。龐志峰教授、周萬珍教授、王彥朋教授、李瑋副教授合撰了第二章、第四章、第六～八章。李學芝、沙江、韓振廷、沙莎、張文清、宋懷文、陳慶華、王志剛、劉立新、張啟明、劉東明、趙偉剛、宋廉波、劉建民、李志清、鄭國輝、李新華同志也參加了本書撰寫工作。
由于作者水平有限，書中難免存在缺點和不足之處，歡迎廣大讀者指正。

前言
第一章開關電源的基礎知識
第一節開關電源名詞解釋
第二節集成穩壓電源的分類
一、集成穩壓電源的分類
二、開關電源的分類
第三節開關電源與線性電源的性能比較
一、開關電源的主要特點
二、開關電源與線性電源的性能比較
第四節開關電源的基本原理
一、開關電源的工作方式
二、脈寬調制控制器的基本原理
三、單片開關電源的構成與基本原理
第五節開關電源集成電路的產品分類
一、PVVM控制器集成電路的產品分類
二、單片開關電源集成電路的產品分類
三、開關穩壓器集成電路的產品分類
第二章 開關電源的基本電路
第一節基準電壓源電路
一、傳統基準電壓源的基本原理
二、帶隙基準電壓源的基本原理
第二節誤差放大器電路
第三節電壓控制型開關電源的基本電路
第四節電流控制型開關電源的基本電路
第五節電荷泵式開關電源的基本電路
第六節基于電感電流連續導通模式的恒流驅動電路
第七節反饋電路的基本類型
第八節開關電源的過熱保護電路
第三章 開關電源單元電路的設計
第一節輸入保護電路的設計
一、輸入保護電路的基本構成
二、熔絲管
三、熔斷電阻器
四、負溫度系數功率熱敏電阻器
五、壓敏電阻器
第二節電磁干擾濾波器的設計
一、電源噪聲及其抑制方法
二、簡易電磁干擾濾波器的設計
三、復雜電磁干擾濾波器的設計
第三節開關電源輸入整流濾波電路的設計
一、輸入整流管的選擇
二、輸入整流橋的選擇
三、輸入濾波電容器的選擇
四、倍壓整流及交流輸入電壓轉換電路的設計
第四節開關穩壓器輸入整流濾波電路的設計
一、輸入整流濾波器的選擇與設計曲線
二、輸入整流濾波器的設計步驟
三、輸入整流濾波器的設計實例
第五節功率開關管的選擇
一、雙極型功率開關管的選擇方法
二、MOSFET功率開關管的選擇方法
三、IGBT功率開關管的選擇方法
第六節漏極鉗位保護電路的設計
一、漏極上各電壓參數的電位分布
二、漏極鉗位保護電路的基本類型
三、漏極鉗位保護電路的設計方法及實例
第七節輸出整流管的選擇
一、快恢復及超快恢復二極管的選擇
二、肖特基二極管的選擇
三、幾種整流管的性能比較
第八節輸出濾波電容器的計算與選擇
一、輸出濾波電容器的容置計算
二、選用輸出濾波電容器的注意事項
三、實現無電解電容器的方法
第九節磁珠的選擇
一、磁珠的性能特點
二、磁珠的選擇方法
第十節穩壓管的選擇
第十一節光耦合器的選擇
一、光耦合器的工作原理
二、線性光耦合器的選擇
第十二節可調式精密并聯穩壓器的選擇
一、TL431型可調式精密并聯穩壓器
二、NCP100型可調式精密并聯穩壓器
第十三節普通光耦反饋電路的設計實例
一、待機電源的光耦反饋電路
二、通用開關電源的光耦反饋電路
三、大功率音頻功率放大器電源的光耦反饋電路
第十四節精密光耦反饋電路的設計實例
一、由TL431構成的精密光耦反饋電路
二、由NCP100構成的精密光耦反饋電路
第十五節控制端補償及偏置電路的設計實例
一、控制端補償電路的設計
二、偏置電路的設計
第四章高頻變壓器的設計
第一節根據經驗公式或輸出功率表格選擇磁心的方法
一、磁性材料的分類
二、根據經驗公式選擇磁心的方法
三、根據輸出功率表格選擇磁心的方法
第二節高頻變壓器電路的波形參數分析
一、波形系數Kf
二、波形因數Kf
第三節采用AP法（面積乘積法）選擇磁心的方法
一、用AP法選擇磁心的計算公式
二、用AP法選擇磁心的注意事項
第四節高頻變壓器導線的選擇
一、漆包線的選擇
二、三層絕緣線的選擇
第五節反激式開關電源的高頻變壓器設計
一、反激式開關電源的高頻變壓器設計方法
二、反激式開關電源的高頻變壓器設計實例
第六節設計高頻變壓器的基本公式
第七節設計高頻變壓器的注意事項
第八節防止高頻變壓器磁飽和的方法
一、磁飽和對開關電源的危害及避免方法
二、檢測高頻變壓器磁飽和的簡便方法
第九節利用軟件設計開關電源及高頻變壓器的實例
一、PI Expert 8.5的主要特點
二、利用軟件設計開關電源的實例
三、查閱并修改高頻變壓器參數的方法
第五章 開關電源整機電路設計的關鍵技術
第一節開關電源的設計方法與步驟
第二節提高開關電源效率的方法
一、開關電源功率損耗的成因
二、設計高效率開關電源的原則
三、提高開關電源效率的方法
第三節降低開關電源空載及待機功耗的方法
一、開機后消除泄放電阻功率損耗的方法
二、開機后消除熱敏電阻功率損耗的方法
三、消除待機模式下檢測電阻功率損耗的方法
第四節功率因數校正（PFC）電路的設計
一、功率因數與總諧波失真
二、無源PFC電路的設計
三、有源PFC變換器的原理分析
第五節輸出電壓可從0V起調及用均流法設計的開關電源
一、輸出電壓可從0V起調的隔離式開關電源的設計方法
二、均流式開關電源的設計方法
第六節開關電源保護電路的設計
一、開關電源芯片保護電路的分類及保護功能
二、過電壓及欠電壓保護電路的設計
……
第六章 開關穩壓器及直流開關電源的電路分析
第七章AC／Dc式開關電源的電路分析
第八章特種開關電源的電路分析
參考文獻

考慮到交流電的頻率為50Hz，周期T=10ms，半個周期所對應的相位角是180°，持續時間為10ms。在每半個周期的30°和150°時刻，交流電壓恰好等于Up／2。從這個周期的150°開始到210°為止，就是電容的放電時間。因此td=T(210°-150°)／180°=T／3=3.33(ms)。例如，實際取△Uc=11V，與ILED=150mA、td=3.33ms一并代人式(5—4—6)中得到，C=22.7μF，可取標稱值22μF。C的耐壓值應大于Up／2，即大于√2／2×220V=155.5V，此例中C1、C2均選200V，總耐壓值為400V。
最后需要說明幾點：
（1）二階填谷電路需要使用兩只電容器和4只二極管（包含隔離二極管，但不包括整流橋中的4只二極管，下同）。若采用三階填谷電路則需要使用3只電容器和7只二極管。
（2）盡管填谷電路的階數越高，改善功率因數的效果越明顯，但電路越復雜，使用元件越多。另外，采用三階填谷電路時并聯放電電壓會降低到UP／3，該電壓必須高于PWM控制器或LED驅動電源的最低電源電壓，否則電源無法正常工作。
（3）填谷電路能提高線路電流的利用率，卻會使負載上的紋波電流增大。但考慮到LED燈的亮度僅取決于平均電流，因此一般可忽略紋波電流的影響。
（4）填谷電路對提高功率因數確有明顯效果，但其總諧波失真仍然較大，無法滿足EN6100032國際標準對20W以上照明設備的諧波要求，盡管它所產生的諧波頻率遠高于150Hz，不會對LED電源造成影響，但容易對其他電子設備形成干擾。
（5）由于填谷電路會增加電源的損耗，因此僅適用于20W以下低成本的LED驅動電源。
三、有源PF0變換器的原理分析
有源PFC電路是在輸入整流橋與輸出濾波電容之間插入一個功率變換電路，將輸入電流校正為與輸入電壓相位相同且不失真的正弦波，使功率因數接近于1。需要指出的是隨著PFC技術的應用日益普及，目前國內外通常把“有源PFC”也簡稱作PFC。從理論上來講，采用任何一種拓撲結構的變換器都可用來提高功率因數，但升壓式變換器是目前最常用的方式，主要原因有3個：①升壓式變換器所需元件最少；②PFC電感位于整流橋與功率開關管（MOSFET）之間，可降低輸入電流的上升率di／dt，從而減小了輸入電路產生的紋波及噪聲，不僅能減少輸出濾波電容器的容量，還能簡化EMI濾波器的設計；③功率開關管的源極接地，便于驅動。