開關電源工程化設計與實戰(zhàn)：從樣機到量產彩色印刷

序

作者簡介

第1 章　單級功率因數校正（PFC）電路工程化設計…………… 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　相移因數和THD 的各自影響 …………………………………… 7

1.2　現行標準IEC 61000—3—2 及其他 ……………………………………10

1.3　PF 與THD ………………………………………………………………12

1.4　信息技術類和LED 照明產品現行標準關于PF 的要求 ………………14

1.5　產品真地需要這么嚴格的PF 要求嗎 ……………………………………18

1.6　PF 與THD 優(yōu)化的工程化方法 …………………………………………20

1.6.1　填谷式PFC 電路 …………………………………………………21

1.6.2　電荷泵PFC 電路 …………………………………………………23

1.6.3　電荷泵填谷PFC 電路 ……………………………………………25

1.6.4　升壓有源功率因數校正（APFC）電路 …………………………25

1.6.5　單級反激式APFC 電路和雙級APFC 電路 ……………………27

1.7　單級PFC LED 驅動電源工程研發(fā)實例 …………………………………30

1.7.1　LED 驅動電源一般性能指標要求 ………………………………30

1.7.2　元器件工程化設計指南 …………………………………………30

1.7.3　Mathcad 理論計算 ………………………………………………65

1.7.4　實物驗證分析 ……………………………………………………68

1.8　頻閃以及去紋波方案 ……………………………………………………87

1.8.1　頻閃的背景 ………………………………………………………87

1.8.2　晶體管消除紋波方案 ……………………………………………90

1.8.3　MOSFET 消除紋波方案 …………………………………………93

1.8.4　ASIC 方案 …………………………………………………………93

1.9　主流芯片概覽 ……………………………………………………………94

目　錄

VI 開關電源工程化設計與實戰(zhàn)—從樣機到量產

1.10　參考文獻 ………………………………………………………………96

第2 章　PFC 和反激準諧振（R）組合電源的工程化設計………… 97

2.1　準諧振的起源 ……………………………………………………………97

2.1.1　永恒的話題—能效 ……………………………………………97

2.1.2　現行主流能效標準一覽 …………………………………………98

2.1.3　如何提升效率并滿足能效等級要求 ………………………… 104

2.2　R 的工作原理深入解析 ……………………………………………… 111

2.2.1　波形振蕩的定性和定量分析 ………………………………… 111

2.2.2　定性以及定量分析兩個振蕩的頻率 ………………………… 113

2.3　R 的工作原理和實現方式 …………………………………………… 113

2.3.1　谷底的意義 …………………………………………………… 113

2.3.2　第一個谷底 …………………………………………………… 115

2.3.3　R 操作的優(yōu)點和缺點 ………………………………………… 120

2.3.4　R 具體轉換過程中的4 個時序區(qū)間 ………………………… 125

2.3.5　 多個谷底，從滿載到輕載時頻率控制方式—不同芯片的設計

方式 ………………………………………………………………… 131

2.3.6　RCC 與R 的關系 ……………………………………………… 134

2.4　R 反激變換器中變壓器的工程化設計實例 ………………………… 135

2.4.1　一次繞組和二次繞組的匝比 ………………………………… 135

2.4.2　反射電壓的選擇 ……………………………………………… 137

2.4.3　一次電流峰值計算 …………………………………………… 138

2.4.4　一次側電感量計算 …………………………………………… 139

2.4.5　一次、二次電流有效值計算 ………………………………… 139

2.5　Boost APFC +R 反激變換器拓撲的研發(fā)工程實例 ………………… 140

2.5.1　本項目主要指標 ……………………………………………… 142

2.5.2　器件參數計算和選型 ………………………………………… 142

2.5.3　Mathcad 理論計算 …………………………………………… 148

2.5.4　電壓環(huán)和電流環(huán)分析 ………………………………………… 152

2.5.5　實測波形 ……………………………………………………… 156

2.6　主流芯片概覽 ………………………………………………………… 176

2.7　其他雙級式電源 ……………………………………………………… 177

2.8　參考文獻 ……………………………………………………………… 178

第3 章　LLC 諧振變換器工程化設計…………………………… 179

3.1　LLC 的起源 …………………………………………………………… 179

目　　錄VII

3.1.1　LLC 的起源和重新得到重視 ………………………………… 179

3.1.2　零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS） ………………… 179

3.1.3　基本諧振拓撲比較 …………………………………………… 181

3.2　LLC 現有的分析方法及不足 ………………………………………… 194

3.2.1　兩個諧振頻率的由來 ………………………………………… 194

3.2.2　通俗易懂介紹FHA …………………………………………… 195

3.2.3　現存各種各樣的LLC 設計參考資料 ………………………… 197

3.2.4　FHA 的缺陷和誤差 …………………………………………… 200

3.3　工作狀態(tài)的變化 ……………………………………………………… 202

3.3.1　不同情況下的增益 …………………………………………… 202

3.3.2　ZVS 實現的條件 ……………………………………………… 205

3.3.3　上諧振或下諧振的選擇 ……………………………………… 206

3.4　LLC 簡化設計步驟 …………………………………………………… 207

3.5　LLC 的仿真定性分析 ………………………………………………… 207

3.6　實物驗證 ……………………………………………………………… 217

3.6.1　器件選型 ……………………………………………………… 219

3.6.2　樣機實測波形 ………………………………………………… 227

3.7　主流芯片概覽 ………………………………………………………… 239

3.8　參考文獻 ……………………………………………………………… 241

第4 章　電磁兼容（EMC）工程化設計………………………… 243

4.1　基本概念 ……………………………………………………………… 243

4.2　其他容易混淆的概念 ………………………………………………… 246

4.2.1　IEC、CISPR、FCC、EN 之間的關系 ……………………… 246

4.2.2　CE 與EMC …………………………………………………… 248

4.2.3　FCC 與EMC …………………………………………………… 249

4.2.4　UL …………………………………………………………… 249

4.2.5　CCC、CC 與EMC …………………………………………… 249

4.3　EMI（傳導和輻射）最新限值 ……………………………………… 251

4.3.1　A 類和B 類 …………………………………………………… 251

4.3.2　EN55032、EN55035 和RED ………………………………… 252

4.3.3　FCC Part15 和 Part18 ………………………………………… 256

4.4　EMI（CE+RE）測試過程中遇到的問題 …………………………… 257

4.4.1　測試場地、機構資質、人員的素質 ………………………… 257

4.4.2　6dB 裕量的故事 ……………………………………………… 258

4.4.3　EMI 測試過程的小技巧 ……………………………………… 260

VIII 開關電源工程化設計與實戰(zhàn)—從樣機到量產

4.4.4　無線法和CDN 法的對比 ……………………………………… 260

4.5　工程設計中EMC 的考慮 …………………………………………… 263

4.5.1　EMI 與產品成本的關聯度 …………………………………… 263

4.5.2　EMI 考慮總的原則 …………………………………………… 265

4.5.3　地線的干擾以及PCB 走線的影響 …………………………… 266

4.5.4　變壓器的屏蔽與工藝實現 …………………………………… 268

4.5.5　MOSFET 驅動電路的影響 …………………………………… 269

4.5.6　MOSFET 寄生電容的影響 …………………………………… 270

4.5.7　工作頻率的選擇 ……………………………………………… 270

4.5.8　差模、共模干擾和抑制方法 ………………………………… 271

4.5.9　隔離保護環(huán) …………………………………………………… 273

4.5.10　數字電路中的電源和地 ……………………………………… 273

4.6　具體實例分析 ………………………………………………………… 274

4.6.1　器件及參數的影響 …………………………………………… 274

4.6.2　系統接地與否的影響 ………………………………………… 280

4.6.3　變壓器外屏蔽的影響 ………………………………………… 283

4.6.4　EMI 測試L、N 線差異 ……………………………………… 285

4.6.5　神奇的磁環(huán) …………………………………………………… 285

4.6.6　調光及功率變化的影響 ……………………………………… 288

4.6.7　一個完整的LED 球泡燈EMI 傳導整改過程 ……………… 290

4.7　本章小結 ……………………………………………………………… 298

4.8　參考文獻 ……………………………………………………………… 298

第5 章　電源設計小技巧和工程化經驗方法…………………… 300

5.1　啟動時間和效率以及VCC 供電技術 ………………………………… 300

5.1.1　待機功耗的降低 ……………………………………………… 300

5.1.2　快速啟動設計 ………………………………………………… 302

5.1.3　電荷泵輔助電源供電技術 …………………………………… 303

5.2　保護相關技巧 ………………………………………………………… 309

5.2.1　LED 電源中的抗浪涌設計 …………………………………… 309

5.2.2　電源軟啟動和抗飽和設計 …………………………………… 311

5.3　電源性能相關技巧 …………………………………………………… 311

5.3.1　LED 燈出現關機回閃或開機多次啟動 ……………………… 311

5.3.2　電源低溫或高溫時的設計技巧 ……………………………… 312

5.4　非隔離類輔助電源設計指南 ………………………………………… 312

5.5　其他設計雜談 ………………………………………………………… 315

5.5.1　電解紋波電流測試 …………………………………………… 315

5.5.2　待機功耗測試具體要求 ……………………………………… 317

5.5.3　元器件噪聲和振動處理 ……………………………………… 317

5.5.4　反激多路輸出計算 …………………………………………… 321

5.5.5　平面MOSFET 和超結MOSFET ……………………………… 323

5.5.6　取代電解電容 ………………………………………………… 326

5.5.7　磁心幾何形狀的影響 ………………………………………… 328

5.5.8　電網對電源的影響 …………………………………………… 329

5.5.9　輸入開機浪涌電流的意義 …………………………………… 333

5.5.10　電感失效問題 ………………………………………………… 337

5.5.11　測試報告的規(guī)范化 …………………………………………… 338

5.5.12　LED 驅動電源和適配器電源測試項目異同 ………………… 339

5.5.13　對標準的理解和批判 ………………………………………… 340

5.5.14　開關電源PCB 設計實際經驗 ……………………………… 342

5.5.15　從研發(fā)到量產的過程 ………………………………………… 345

5.5.16　專業(yè)英語的重要性 …………………………………………… 350

5.6　參考文獻 ……………………………………………………………… 351