开关电源工程化设计与实战：从样机到量产彩色印刷

序

作者简介

第1 章　单级功率因数校正（PFC）电路工程化设计…………… 1

1.1　功率因数（PF）的历史渊源 …………………………………………… 1

1.1.1　有功功率、无功功率及其他概念 ……………………………… 5

1.1.2　相移因数和THD 的各自影响 …………………………………… 7

1.2　现行标准IEC 61000—3—2 及其他 ……………………………………10

1.3　PF 与THD ………………………………………………………………12

1.4　信息技术类和LED 照明产品现行标准关于PF 的要求 ………………14

1.5　产品真地需要这么严格的PF 要求吗 ……………………………………18

1.6　PF 与THD 优化的工程化方法 …………………………………………20

1.6.1　填谷式PFC 电路 …………………………………………………21

1.6.2　电荷泵PFC 电路 …………………………………………………23

1.6.3　电荷泵填谷PFC 电路 ……………………………………………25

1.6.4　升压有源功率因数校正（APFC）电路 …………………………25

1.6.5　单级反激式APFC 电路和双级APFC 电路 ……………………27

1.7　单级PFC LED 驱动电源工程研发实例 …………………………………30

1.7.1　LED 驱动电源一般性能指标要求 ………………………………30

1.7.2　元器件工程化设计指南 …………………………………………30

1.7.3　Mathcad 理论计算 ………………………………………………65

1.7.4　实物验证分析 ……………………………………………………68

1.8　频闪以及去纹波方案 ……………………………………………………87

1.8.1　频闪的背景 ………………………………………………………87

1.8.2　晶体管消除纹波方案 ……………………………………………90

1.8.3　MOSFET 消除纹波方案 …………………………………………93

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

1.9　主流芯片概览 ……………………………………………………………94

目　录

VI 开关电源工程化设计与实战—从样机到量产

1.10　参考文献 ………………………………………………………………96

第2 章　PFC 和反激准谐振（R）组合电源的工程化设计………… 97

2.1　准谐振的起源 ……………………………………………………………97

2.1.1　永恒的话题—能效 ……………………………………………97

2.1.2　现行主流能效标准一览 …………………………………………98

2.1.3　如何提升效率并满足能效等级要求 ………………………… 104

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

2.2.1　波形振荡的定性和定量分析 ………………………………… 111

2.2.2　定性以及定量分析两个振荡的频率 ………………………… 113

2.3　R 的工作原理和实现方式 …………………………………………… 113

2.3.1　谷底的意义 …………………………………………………… 113

2.3.2　第一个谷底 …………………………………………………… 115

2.3.3　R 操作的优点和缺点 ………………………………………… 120

2.3.4　R 具体转换过程中的4 个时序区间 ………………………… 125

2.3.5　 多个谷底，从满载到轻载时频率控制方式—不同芯片的设计

方式 ………………………………………………………………… 131

2.3.6　RCC 与R 的关系 ……………………………………………… 134

2.4　R 反激变换器中变压器的工程化设计实例 ………………………… 135

2.4.1　一次绕组和二次绕组的匝比 ………………………………… 135

2.4.2　反射电压的选择 ……………………………………………… 137

2.4.3　一次电流峰值计算 …………………………………………… 138

2.4.4　一次侧电感量计算 …………………………………………… 139

2.4.5　一次、二次电流有效值计算 ………………………………… 139

2.5　Boost APFC +R 反激变换器拓扑的研发工程实例 ………………… 140

2.5.1　本项目主要指标 ……………………………………………… 142

2.5.2　器件参数计算和选型 ………………………………………… 142

2.5.3　Mathcad 理论计算 …………………………………………… 148

2.5.4　电压环和电流环分析 ………………………………………… 152

2.5.5　实测波形 ……………………………………………………… 156

2.6　主流芯片概览 ………………………………………………………… 176

2.7　其他双级式电源 ……………………………………………………… 177

2.8　参考文献 ……………………………………………………………… 178

第3 章　LLC 谐振变换器工程化设计…………………………… 179

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

目　　录VII

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

3.1.2　零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS） ………………… 179

3.1.3　基本谐振拓扑比较 …………………………………………… 181

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

3.2.1　两个谐振频率的由来 ………………………………………… 194

3.2.2　通俗易懂介绍FHA …………………………………………… 195

3.2.3　现存各种各样的LLC 设计参考资料 ………………………… 197

3.2.4　FHA 的缺陷和误差 …………………………………………… 200

3.3　工作状态的变化 ……………………………………………………… 202

3.3.1　不同情况下的增益 …………………………………………… 202

3.3.2　ZVS 实现的条件 ……………………………………………… 205

3.3.3　上谐振或下谐振的选择 ……………………………………… 206

3.4　LLC 简化设计步骤 …………………………………………………… 207

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

3.6　实物验证 ……………………………………………………………… 217

3.6.1　器件选型 ……………………………………………………… 219

3.6.2　样机实测波形 ………………………………………………… 227

3.7　主流芯片概览 ………………………………………………………… 239

3.8　参考文献 ……………………………………………………………… 241

第4 章　电磁兼容（EMC）工程化设计………………………… 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 之间的关系 ……………………… 246

4.2.2　CE 与EMC …………………………………………………… 248

4.2.3　FCC 与EMC …………………………………………………… 249

4.2.4　UL …………………………………………………………… 249

4.2.5　CCC、CC 与EMC …………………………………………… 249

4.3　EMI（传导和辐射）最新限值 ……………………………………… 251

4.3.1　A 类和B 类 …………………………………………………… 251

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

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

4.4　EMI（CE+RE）测试过程中遇到的问题 …………………………… 257

4.4.1　测试场地、机构资质、人员的素质 ………………………… 257

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

4.4.3　EMI 测试过程的小技巧 ……………………………………… 260

VIII 开关电源工程化设计与实战—从样机到量产

4.4.4　无线法和CDN 法的对比 ……………………………………… 260

4.5　工程设计中EMC 的考虑 …………………………………………… 263

4.5.1　EMI 与产品成本的关联度 …………………………………… 263

4.5.2　EMI 考虑总的原则 …………………………………………… 265

4.5.3　地线的干扰以及PCB 走线的影响 …………………………… 266

4.5.4　变压器的屏蔽与工艺实现 …………………………………… 268

4.5.5　MOSFET 驱动电路的影响 …………………………………… 269

4.5.6　MOSFET 寄生电容的影响 …………………………………… 270

4.5.7　工作频率的选择 ……………………………………………… 270

4.5.8　差模、共模干扰和抑制方法 ………………………………… 271

4.5.9　隔离保护环 …………………………………………………… 273

4.5.10　数字电路中的电源和地 ……………………………………… 273

4.6　具体实例分析 ………………………………………………………… 274

4.6.1　器件及参数的影响 …………………………………………… 274

4.6.2　系统接地与否的影响 ………………………………………… 280

4.6.3　变压器外屏蔽的影响 ………………………………………… 283

4.6.4　EMI 测试L、N 线差异 ……………………………………… 285

4.6.5　神奇的磁环 …………………………………………………… 285

4.6.6　调光及功率变化的影响 ……………………………………… 288

4.6.7　一个完整的LED 球泡灯EMI 传导整改过程 ……………… 290

4.7　本章小结 ……………………………………………………………… 298

4.8　参考文献 ……………………………………………………………… 298

第5 章　电源设计小技巧和工程化经验方法…………………… 300

5.1　启动时间和效率以及VCC 供电技术 ………………………………… 300

5.1.1　待机功耗的降低 ……………………………………………… 300

5.1.2　快速启动设计 ………………………………………………… 302

5.1.3　电荷泵辅助电源供电技术 …………………………………… 303

5.2　保护相关技巧 ………………………………………………………… 309

5.2.1　LED 电源中的抗浪涌设计 …………………………………… 309

5.2.2　电源软启动和抗饱和设计 …………………………………… 311

5.3　电源性能相关技巧 …………………………………………………… 311

5.3.1　LED 灯出现关机回闪或开机多次启动 ……………………… 311

5.3.2　电源低温或高温时的设计技巧 ……………………………… 312

5.4　非隔离类辅助电源设计指南 ………………………………………… 312

5.5　其他设计杂谈 ………………………………………………………… 315

5.5.1　电解纹波电流测试 …………………………………………… 315

5.5.2　待机功耗测试具体要求 ……………………………………… 317

5.5.3　元器件噪声和振动处理 ……………………………………… 317

5.5.4　反激多路输出计算 …………………………………………… 321

5.5.5　平面MOSFET 和超结MOSFET ……………………………… 323

5.5.6　取代电解电容 ………………………………………………… 326

5.5.7　磁心几何形状的影响 ………………………………………… 328

5.5.8　电网对电源的影响 …………………………………………… 329

5.5.9　输入开机浪涌电流的意义 …………………………………… 333

5.5.10　电感失效问题 ………………………………………………… 337

5.5.11　测试报告的规范化 …………………………………………… 338

5.5.12　LED 驱动电源和适配器电源测试项目异同 ………………… 339

5.5.13　对标准的理解和批判 ………………………………………… 340

5.5.14　开关电源PCB 设计实际经验 ……………………………… 342

5.5.15　从研发到量产的过程 ………………………………………… 345

5.5.16　专业英语的重要性 …………………………………………… 350

5.6　参考文献 ……………………………………………………………… 351