开关电源工程化实用设计指南 从研发到智造

《开关电源工程化实用设计指南——从研发到智造》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，《开关电源工程化实用设计指南——从研发到智造》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。

《开关电源工程化实用设计指南——从研发到智造》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。

对海量行业技术资料进行梳理，对当前消费性电源产品的能效标准、安全标准、性能要求做了深刻分析和扩充。

提供完整、严谨、易懂的知识体系。

可以通过公众号（Aladdin阿拉丁）反馈交流。

国正在从制造大国向智造大国迈进，消费性电子产品、智能化产品更新换代

中越来越快，电源的高效、高频、小体积化成为了消费者的要求，也是各大生产厂商追求的目标。工厂的智造化转型，面临着从零到无穷的产品量变，一线研发人员的作用不仅仅只是原型样机的制作，也面临着从研发到量产再到产品自动化生产的转型，如可制造性、可测试性、可靠性设计也成为一系列更复杂的课题。一线研发工程师在当今的海量知识面前，反而变得更为迷茫，如何从繁杂浩瀚的资料中整理、吸收并转化成自己的知识，更是初入门的电源工程师的一大困惑。本书以消费性电源产品为主线，站在巨人的肩膀上，通过系统追溯，对海量行业技术资料进行梳理，对当前消费性电源产品的能效标准、安全标准、性能要求做了深刻分析和扩充，希望能给工程技术人员提供一套消费性电源产品从研发到规模化生产的设计指导。

本书编排完全按照工程化设计为目标，前 3章，以目前最流行的拓扑结构及产品为实例并进行扩充，分别从单级 PFC电路设计、准谐振反激电源的工程化设计，到 LLC谐振半桥变换器工程化设计，逐步深入；第 4章以 EMC与安规认证工程化设计为主题，通过实证举例给读者呈现足够真实的案例；第 5章以大量经验误区和失效分析为主要内容，这部分内容弥补了目前同类书籍中实战内容的缺失。本书中所有的标准解读和分析以及引用均是当前最新版本，请读者注意标准内容的实时更新。

著作不易，特别是专业细分领域的科技图书写作，必须沉下心并咬牙坚持。本书的成稿特别感谢机械工业出版社电工电子分社的编辑江婧婧，是她全程跟进统筹协调整个出版进度，并认真校对编排，没有她的帮助及鞭策，难以完成本书的写作和出版工作。同时对电力电子领域的前辈、提供技术知识的同行，以及各大厂商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，相濡以沫，给我足够的时间做自己感兴趣的事情，小儿也已从小夕宝变成了大夕胖了，开始懂得了爸爸工作的内容和意义，虽时常打断，但不失童趣，我也时常边写作边陪伴其成长，日复一日，得成此书。

本书的写作原则是努力为读者提供完整、严谨、易懂的知识体系，但无法避免写作的内容中存在瑕疵，请读者提出宝贵的意见和建议，可以通过邮箱 eric.wen.tx@gmail. com或是微信公众号（ Aladdin阿拉丁）给予反馈，同时我也在公众号中给出了一些相关参考文献。希望本书的出版能给电力电子领域的一线工程师及相关从业者在消费性电源产品设计时提供有意义的指导。

文天祥 2021年 5月

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

1.5PF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

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

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