开关电源工程化设计与实战 从样机到量产

《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》是一本真正意义上从工程实践出发的书籍，通过实例计算、仿真分析和样机验证等方法，架起了一座开关电源研发从样机到量产的桥梁，是一本不可多得的设计类参考书籍 

《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》针对中小功率范围的开关电源，对热门的LED驱动电源、适配器电源中主流拓扑进行了分析及实际设计，逐步给出了完整的工程化产品研发过程。并从项目管理角度对电源类产品研发生产的整个产品生命周期给出了一般性指导方法，以期给读者提供满足实际设计调试的经验补充。作为一本实践为导向的书籍，《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》作者对当前电源的能效标准、安全标准、性能要求做了深刻解读，给读者提供了开关电源产品全流程的设计指导，同时给出了电源设计过程中的一些小技巧。

文天祥，中国电源学会照明电源专业委员会委员，中国电源学会青年工作委员会委员，IEEE 会员。电力电子专业研究生毕业后，十年来一直从事电力电子研发设计工作，历任研发工程师、工程师、研发经理、平台架构师等，期间主导研发了多款行业及至全球领先的产品，销售数量累计达千万级，为所在公司带来了巨大的经济效益。在技术积淀上，在开关电源拓扑、半导体元器件应用、LED 照明电子及系统应用、消费性电子产品可靠性设计等方面有丰富的经验和独到的见解，并在电源设计及应用领域获得多项国际专利。熟悉电子产品项目管理，以及消费性电子产品完整生命流程管控。作为电源学会委员，积极参与行业标准的制定和起草，并多次负责联系国际知名电源专家来中国举办电源类培训事宜，翻译出版电源相关书籍多部，代表性著作如下：1. 译著( 译者) ：Robert A.Mammano 写作的《Fundamentals of Power Supply Design》，中文版书名：《电源设计基础》，2018 年10 月出版，辽宁科学技术出版社。2. 译著( 译者) ：Sanjaya Maniktala 写作的《Intuitive Analog to Digital Control Loops in Switchers》，中文版书名：《开关变换器环路设计指南—从模拟到数字控制》，2017 年5 月出版，机械工业出版社。3. 译著( 译者) ：Morgan Jones 写作的《Building Valve Amplifier》（2nd edition），中文版书名：《电子管放大器搭建手册》（第2 版）2016 年9 月出版，人民邮电出版社。符致华，IEEE 会员，电子专业本科毕业八年来一直从事开关电源研发设计工作，在开关电源拓扑、半导体元器件应用及消费性电子产品可靠性设计等方面有丰富的经验和独到的见解。主要研发各类开关电源和LED 照明电子及应用，曾任高级研发工程师、研发经理等职位，负责产品从研发端到量产的整个流程，包括准确的元器件选型、系统失效异常分析和EMC 的评估，为公司节省的研发成本达几千万元。曾就职于松下电子、欧普照明研发中心等公司。

序作者简介第1 章　单级功率因数校正（PFC）电路工程化设计…………… 11.1　功率因数（PF）的历史渊源 …………………………………………… 11.1.1　有功功率、无功功率及其他概念 ……………………………… 51.1.2　相移因数和THD 的各自影响 …………………………………… 71.2　现行标准IEC 61000—3—2 及其他 ……………………………………101.3　PF 与THD ………………………………………………………………121.4　信息技术类和LED 照明产品现行标准关于PF 的要求 ………………141.5　产品真地需要这么严格的PF 要求吗 ……………………………………181.6　PF 与THD 优化的工程化方法 …………………………………………201.6.1　填谷式PFC 电路 …………………………………………………211.6.2　电荷泵PFC 电路 …………………………………………………231.6.3　电荷泵填谷PFC 电路 ……………………………………………251.6.4　升压有源功率因数校正（APFC）电路 …………………………251.6.5　单级反激式APFC 电路和双级APFC 电路 ……………………271.7　单级PFC LED 驱动电源工程研发实例 …………………………………301.7.1　LED 驱动电源一般性能指标要求 ………………………………301.7.2　元器件工程化设计指南 …………………………………………301.7.3　Mathcad 理论计算 ………………………………………………651.7.4　实物验证分析 ……………………………………………………681.8　频闪以及去纹波方案 ……………………………………………………871.8.1　频闪的背景 ………………………………………………………871.8.2　晶体管消除纹波方案 ……………………………………………901.8.3　MOSFET 消除纹波方案 …………………………………………931.8.4　ASIC 方案 …………………………………………………………931.9　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………… 972.1　准谐振的起源 ……………………………………………………………972.1.1　永恒的话题—能效 ……………………………………………972.1.2　现行主流能效标准一览 …………………………………………982.1.3　如何提升效率并满足能效等级要求 ………………………… 1042.2　R 的工作原理深入解析 ……………………………………………… 1112.2.1　波形振荡的定性和定量分析 ………………………………… 1112.2.2　定性以及定量分析两个振荡的频率 ………………………… 1132.3　R 的工作原理和实现方式 …………………………………………… 1132.3.1　谷底的意义 …………………………………………………… 1132.3.2　第一个谷底 …………………………………………………… 1152.3.3　R 操作的优点和缺点 ………………………………………… 1202.3.4　R 具体转换过程中的4 个时序区间 ………………………… 1252.3.5　 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 ………………………………………………………………… 1312.3.6　RCC 与R 的关系 ……………………………………………… 1342.4　R 反激变换器中变压器的工程化设计实例 ………………………… 1352.4.1　一次绕组和二次绕组的匝比 ………………………………… 1352.4.2　反射电压的选择 ……………………………………………… 1372.4.3　一次电流峰值计算 …………………………………………… 1382.4.4　一次侧电感量计算 …………………………………………… 1392.4.5　一次、二次电流有效值计算 ………………………………… 1392.5　Boost APFC R 反激变换器拓扑的研发工程实例 ………………… 1402.5.1　本项目主要指标 ……………………………………………… 1422.5.2　器件参数计算和选型 ………………………………………… 1422.5.3　Mathcad 理论计算 …………………………………………… 1482.5.4　电压环和电流环分析 ………………………………………… 1522.5.5　实测波形 ……………………………………………………… 1562.6　主流芯片概览 ………………………………………………………… 1762.7　其他双级式电源 ……………………………………………………… 1772.8　参考文献 ……………………………………………………………… 178第3 章　LLC 谐振变换器工程化设计…………………………… 1793.1　LLC 的起源 …………………………………………………………… 179目　　录VII3.1.1　LLC 的起源和重新得到重视 ………………………………… 1793.1.2　零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS） ………………… 1793.1.3　基本谐振拓扑比较 …………………………………………… 1813.2　LLC 现有的分析方法及不足 ………………………………………… 1943.2.1　两个谐振频率的由来 ………………………………………… 1943.2.2　通俗易懂介绍FHA …………………………………………… 1953.2.3　现存各种各样的LLC 设计参考资料 ………………………… 1973.2.4　FHA 的缺陷和误差 …………………………………………… 2003.3　工作状态的变化 ……………………………………………………… 2023.3.1　不同情况下的增益 …………………………………………… 2023.3.2　ZVS 实现的条件 ……………………………………………… 2053.3.3　上谐振或下谐振的选择 ……………………………………… 2063.4　LLC 简化设计步骤 …………………………………………………… 2073.5　LLC 的仿真定性分析 ………………………………………………… 2073.6　实物验证 ……………………………………………………………… 2173.6.1　器件选型 ……………………………………………………… 2193.6.2　样机实测波形 ………………………………………………… 2273.7　主流芯片概览 ………………………………………………………… 2393.8　参考文献 ……………………………………………………………… 241第4 章　电磁兼容（EMC）工程化设计………………………… 2434.1　基本概念 ……………………………………………………………… 2434.2　其他容易混淆的概念 ………………………………………………… 2464.2.1　IEC、CISPR、FCC、EN 之间的关系 ……………………… 2464.2.2　CE 与EMC …………………………………………………… 2484.2.3　FCC 与EMC …………………………………………………… 2494.2.4　UL …………………………………………………………… 2494.2.5　CCC、CC 与EMC …………………………………………… 2494.3　EMI（传导和辐射）最新限值 ……………………………………… 2514.3.1　A 类和B 类 …………………………………………………… 2514.3.2　EN55032、EN55035 和RED ………………………………… 2524.3.3　FCC Part15 和 Part18 ………………………………………… 2564.4　EMI（CE RE）测试过程中遇到的问题 …………………………… 2574.4.1　测试场地、机构资质、人员的素质 ………………………… 2574.4.2　6dB 裕量的故事 ……………………………………………… 2584.4.3　EMI 测试过程的小技巧 ……………………………………… 260VIII 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 ……………………………………… 2604.5　工程设计中EMC 的考虑 …………………………………………… 2634.5.1　EMI 与产品成本的关联度 …………………………………… 2634.5.2　EMI 考虑总的原则 …………………………………………… 2654.5.3　地线的干扰以及PCB 走线的影响 …………………………… 2664.5.4　变压器的屏蔽与工艺实现 …………………………………… 2684.5.5　MOSFET 驱动电路的影响 …………………………………… 2694.5.6　MOSFET 寄生电容的影响 …………………………………… 2704.5.7　工作频率的选择 ……………………………………………… 2704.5.8　差模、共模干扰和抑制方法 ………………………………… 2714.5.9　隔离保护环 …………………………………………………… 2734.5.10　数字电路中的电源和地 ……………………………………… 2734.6　具体实例分析 ………………………………………………………… 2744.6.1　器件及参数的影响 …………………………………………… 2744.6.2　系统接地与否的影响 ………………………………………… 2804.6.3　变压器外屏蔽的影响 ………………………………………… 2834.6.4　EMI 测试L、N 线差异 ……………………………………… 2854.6.5　神奇的磁环 …………………………………………………… 2854.6.6　调光及功率变化的影响 ……………………………………… 2884.6.7　一个完整的LED 球泡灯EMI 传导整改过程 ……………… 2904.7　本章小结 ……………………………………………………………… 2984.8　参考文献 ……………………………………………………………… 298第5 章　电源设计小技巧和工程化经验方法…………………… 3005.1　启动时间和效率以及VCC 供电技术 ………………………………… 3005.1.1　待机功耗的降低 ……………………………………………… 3005.1.2　快速启动设计 ………………………………………………… 3025.1.3　电荷泵辅助电源供电技术 …………………………………… 3035.2　保护相关技巧 ………………………………………………………… 3095.2.1　LED 电源中的抗浪涌设计 …………………………………… 3095.2.2　电源软启动和抗饱和设计 …………………………………… 3115.3　电源性能相关技巧 …………………………………………………… 3115.3.1　LED 灯出现关机回闪或开机多次启动 ……………………… 3115.3.2　电源低温或高温时的设计技巧 ……………………………… 3125.4　非隔离类辅助电源设计指南 ………………………………………… 3125.5　其他设计杂谈 ………………………………………………………… 315目　　录IX5.5.1　电解纹波电流测试 …………………………………………… 3155.5.2　待机功耗测试具体要求 ……………………………………… 3175.5.3　元器件噪声和振动处理 ……………………………………… 3175.5.4　反激多路输出计算 …………………………………………… 3215.5.5　平面MOSFET 和超结MOSFET ……………………………… 3235.5.6　取代电解电容 ………………………………………………… 3265.5.7　磁心几何形状的影响 ………………………………………… 3285.5.8　电网对电源的影响 …………………………………………… 3295.5.9　输入开机浪涌电流的意义 …………………………………… 3335.5.10　电感失效问题 ………………………………………………… 3375.5.11　测试报告的规范化 …………………………………………… 3385.5.12　LED 驱动电源和适配器电源测试项目异同 ………………… 3395.5.13　对标准的理解和批判 ………………………………………… 3405.5.14　开关电源PCB 设计实际经验 ……………………………… 3425.5.15　从研发到量产的过程 ………………………………………… 3455.5.16　专业英语的重要性 …………………………………………… 3505.6　参考文献 ……………………………………………………………… 35

当今消费性电子产品更新换代越来越快，对供电电源的要求也越来越高，特别是高效、节能、高频、小体积化已成为各电源生产厂商追求的目标。国内从事电源研发设计的工程技术人员基数众多，纵观市面上的关于开关电源设计的书籍，公式繁多且侧重于理论，一定程度上脱离了现行工程技术，让初入门的电源研发人员感到十分困惑，而国外的经典书籍，全英语的内容，阻挡了一部分工程师的学习之路，因为翻译版本难免理解起来会容易产生偏差，对于工程师的指导意义有限。所以，《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》的写作是基于作者十多年的一线电源研发设计经验，亲手实测数据及波形，总结实际量产产品中出现过的问题，并提炼出工程化技巧。目的是希望通过本书，能设计出符合安规认证，可靠性高，适合批量生产的电源。毫不夸张地说，这是当今市面上少有的关于开关电源工程化设计的书籍。《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》针对中小功率范围，对开关电源领域最为热门的LED 驱动电源和适配器电源中主流拓扑进行了分析及实际设计，并给出了完整的工程化产品研发过程。最后本书将一些电源设计中的小技巧单独列出进行总结分析，并从项目管理角度对电源类产品研发生产的整个产品生命周期给出了一般性指导方法，以期给读者提供满足实际设计调试的经验补充。历史总站在巨人的肩膀上前行，《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》的写作也一样，在写作的过程中笔者通过翻阅海量行业技术资料，以及大量全球主流电源相关标准条款文档，对当前电源的能效标准、安全标准、性能要求做了深刻解读。通过对全球优秀的技术资料进行引证和解析，同时融入笔者多年实践经验的理解，希望给广大读者提供有价值的参考。由于篇幅所限，本书无法列出所有参考文献，如有需求，请联系笔者。书中全部电路原理图使用软件Altium Designer 绘制，仿真使用的软件为LTspice。知识浩瀚，苦修数载，几易其稿终成本书。《开关电源工程化设计与实战（从样机到量产 彩色印刷）》成稿过程得到多方的支持，好友东莞贝特电子杨培增提供了相关样品进行测试和分析，台达电子徐朋提供部分测试结果，同时特别感谢机械工业出版社电工电子分社的编辑江婧婧，是她统筹协调整个出版进度，并认真进行了校对编排，没有她的帮助，难以完成此书的出版工作。同时对电源领域的前辈，以及各大厂家技术资料的开源奉献一并致谢。最后，特别感谢爱妻王牡丹女士十多年来的支持、包容和帮助，写作期间适逢小儿的出生，各种辛劳难于言表，没有她在背后的默默奉献，撰写此书的梦想只能束之高阁，儿子的天真可爱也是我努力前行的动力，从他咿呀学语到蹒跚走路再到如今的健步如飞，他的每一步成长既让我感到生命的奇妙，也让我更迫切地希望自己努力学习成为一个越来越好的父亲，希望他将来能看到这本书，并为父亲感到骄傲！本书适合刚进入电源设计行业，以及长期工作在电源设计行业的一线工程技术人员使用参考。同样也适合各大院校电力电子、电子信息工程、自动化等专业的师生作为指导教材或是实验课程教材。因笔者水平有限，所接触的也仅是电源知识的极小一部分，我们努力为读者提供完整、严谨、易懂的知识体系，但无法避免存在瑕疵，请读者不吝给出意见和建议，邮箱地址[email protected]，谢谢！文天祥　2019 年4 月