开关电源工程化实用设计指南——从研发到智造

本书对消费性电源中的主流电源拓扑进行了实际案例设计和分析，逐步给出了完整的工程化产品从研发到制造的过程，并从产品生命周期的角度对消费性电源产品的设计、生产、维护等方面，给读者提供了足够的实例分析、标准解析、经验分享。作为一本以工程化实用性为导向的书籍，本书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，通过海量案例验证分析，给读者呈现了消费性电源产品从研发设计到生产，以及终端应用中的各种知识。 本书适合刚进入电源设计行业，以及长期工作在电源产品设计行业的一线工程技术人员使用参考，同时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实验课程教材。

序作者简介 第1章　单级功率因数校正（PFC）电路工程化实用设计……… 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　位移因数和 THD的各自影响 …………………………………… 7 1.2 　深度理解 PF与 THD …………………………………………………… 9 1.3 　全球现行标准关于 PF和 THD的要求 …………………………………12 1.4 　产品真的需要这么严格的 PF和 THD要求吗 …………………………23 1.5 　PF与 THD优化的工程化方法 …………………………………………25 1.5.1　单级反激式 APFC电路和双级 APFC电路 ……………………26 1.5.2　单级反激式 APFC电路应用中的问题 …………………………27 1.6 　单级 PFC LED驱动电源工程研发实例 ………………………………… 29 1.6.1　元器件工程化设计指南—降额设计 …………………………29 1.6.2　LED驱动电源一般性能指标要求 ………………………………38 1.6.3　单级 PFC的变压器选型 …………………………………………38 1.6.4　Mathcad理论计算 ………………………………………………40 1.6.5　工程化验证分析 …………………………………………………43 1.7　光闪烁以及对策 …………………………………………………………58 1.7.1　光闪烁的背景 ……………………………………………………58 1.7.2　一些评价指标 ……………………………………………………60 1.7.3　光闪烁的评价测试方法 …………………………………………63 1.7.4　光闪烁的现行法规要求 …………………………………………65 1.7.5　改善闪烁的技术方案及生产制造的问题 ………………………71 1.7.6　一个具体产品的测试结果及分析 ………………………………74 1.8　参考文献 …………………………………………………………………76 开关电源工程化实用设计指南—从研发到智造 第2章　准谐振反激电源的工程化设计… …………………………… 78 2.1　能效是永恒的追求 ………………………………………………………78 2.1.1　现行全球主流能效标准概览 ……………………………………79 2.1.2　如何提升效率并满足能效要求 …………………………………84 2.2　准谐振（QR）的工作原理深入解析 …………………………………… 92 2.2.1　波形振荡的定性和定量分析 ……………………………………92 2.2.2　定性以及定量分析两个振荡的频率 ……………………………94 2.3　APFC +QR Flyback拓扑的研发工程实例 ……………………………… 95 2.3.1　本项目主要指标 …………………………………………………95 2.3.2　Mathcad理论计算 ………………………………………………97 2.3.3　电压环和电流环分析 ………………………………………… 101 2.3.4　不同工况下实测波形分析 …………………………………… 104 2.4　有源钳位拓扑 ………………………………………………………… 122 2.5　参考文献 ……………………………………………………………… 124 第3章　LLC谐振半桥变换器工程化设计… …………………… 125 3.1　谐振电路的起源 ……………………………………………………… 125 3.1.1　什么是谐振 …………………………………………………… 125 3.1.2　LLC重新得到重视 …………………………………………… 128 3.2　基本谐振拓扑比较 …………………………………………………… 129 3.2.1 　串联谐振变换器 ……………………………………………… 129 3.2.2　并联谐振变换器 ……………………………………………… 131 3.2.3　串并联谐振变换器 …………………………………………… 132 3.2.4　从 LCC到 LLC ………………………………………………… 133 3.2.5　LLC架构的选择 ……………………………………………… 136 3.3　LLC现有的分析方法及不足 ………………………………………… 137 3.3.1　两个谐振频率的由来 ………………………………………… 137 3.3.2　通俗易懂介绍 FHA …………………………………………… 138 3.3.3　现存各种各样的 LLC设计参考资料 ………………………… 141 3.3.4　FHA的缺陷和误差 …………………………………………… 141 3.4　工作状态的变化 ……………………………………………………… 144 3.4.1　不同情况下的增益 …………………………………………… 144 3.4.2　ZVS实现的条件 ……………………………………………… 147 3.4.3　上谐振或下谐振的选择 ……………………………………… 148 3.5　LLC简化设计步骤 …………………………………………………… 150 3.6　工程化验证 …………………………………………………………… 150 3.6.1　LLC稳态关键点波形 ………………………………………… 152 3.6.2　LLC其他工况下的波形 ……………………………………… 157 3.7　其他难点和可选择的方案 …………………………………………… 164 3.8　参考文献 ……………………………………………………………… 165 第4章　电磁兼容（EMC）与安规认证工程化设计… ………… 167 4.1　易混淆的概念 ………………………………………………………… 167 4.2　A类和 B类 …………………………………………………………… 168 4.3　电磁干扰（EMI）测试过程中遇到的问题 ………………………… 169 4.3.1　测试实验室里的秘密 ………………………………………… 169 4.3.2　6dB裕量的故事 ……………………………………………… 170 4.3.3　EMI测试过程的小技巧 ……………………………………… 172 4.3.4　CDN代替测试方法 …………………………………………… 173 4.4　工程设计中 EMC的考虑 …………………………………………… 174 4.4.1　EMC与产品成本的关联度 …………………………………… 174 4.4.2　工作频率的选择 ……………………………………………… 176 4.4.3　具体案例分析 ………………………………………………… 178 4.5　工程设计中对安规的考虑 …………………………………………… 195 4.5.1　安规的本质意义 ……………………………………………… 195 4.5.2　主要安规标准 ………………………………………………… 196 4.5.3　熔断器、熔断电阻器、铜箔等 ……………………………… 196 4.5.4　爬电距离与电气间隙的真实情况 …………………………… 206 4.5.5　绝缘耐压与距离的确定 ……………………………………… 208 4.5.6　海拔的影响 …………………………………………………… 212 4.5.7　安规标准中的单一故障失效与异常状态 …………………… 214 4.6　统一的标准 IEC 62368—1 …………………………………………… 224 4.7　本章小节 ……………………………………………………………… 226 4.8　参考文献 ……………………………………………………………… 227 第5章　研发到智造的经验误区及失效分析…………………… 228 5.1　示波器应用相关问题 ………………………………………………… 229 5.1.1　关于探头 ……………………………………………………… 229 5.1.2　三剑客：带宽、采样率、存储深度 ………………………… 234 5.1.3　差分电压、浮地测量 ………………………………………… 236 开关电源工程化实用设计指南—从研发到智造 5.1.4　纹波电压测试 ………………………………………………… 238 5.1.5　纹波电流测试 ………………………………………………… 240 5.1.6　示波器未来的形态 …………………………………………… 241 5.2　IoT辅助电源设计误区 ……………………………………………… 242 5.2.1　一般指标要求 ………………………………………………… 244 5.2.2　纹波及动态要求 ……………………………………………… 246 5.3　待机功耗测试的误区 ………………………………………………… 249 5.4　电容替换的误区 ……………………………………………………… 250 5.5　开机浪涌电流的意义 ………………………………………………… 254 5.6　从零到无穷的过程 …………………………………………………… 258 5.7　失效分析的基本流程 ………………………………………………… 263 5.8　8D报告的意义 ………………………………………………………… 264 5.9　典型失效案例解析 …………………………………………………… 266 5.9.1　失效案例 1—雷击浪涌失效………………………………… 266 5.9.2　失效案例 2—整流桥后薄膜电容失效……………………… 269 5.9.3　失效案例 3—色码以及工字电感失效……………………… 272 5.9.4　失效案例 4—LED多路并联不均失效 …………………… 274 5.9.5　失效案例 5—电源开机启动时间不合规…………………… 277 5.9.6　失效案例 6—0~10V调光隔离相关问题 ………………… 281 5.9.7　失效案例 7—恶劣应用环境下高压打火失效……………… 286 5.9.8　失效案例 8—感性容性混合负载的情况…………………… 289 5.9.9　失效案例 9—照明产品中的噪声问题……………………… 290 5.9.10　失效案例 10—高压线性恒流电路方案应用问题………… 295 5.9.11　失效案例 11—LED灯的微亮与“鬼火”问题 ………… 297 5.9.12　失效案例 12—系统中金属基板共模浪涌的处理………… 299 5.9.13　失效案例 13—LED灯与灯具的耐压测试失效 ………… 301 5.9.14　失效案例 14—智能照明中调色和调光斩波 MOSFET失效 …………………………………………………………… 303 5.9.15　失效案例 15—智能照明中重启或频繁闪烁问题………… 313 5.9.16　失效案例 16—电子产品外壳融化失效…………………… 319 5.10　小结 …………………………………………………………………… 330 5.11 参考文献 ……………………………………………………………… 330