前言 17

本書使用的單位、符號和縮詞 22

非隔離降壓型開關電源的知識圖譜 25

第1章  概述 27

1.1 開關電源中常見的術語有哪些？ 27

1.2 開關電源的基本拓撲是哪三種？為什么只有三種？ 30

1.3 什么是開關電源控制器和開關電源轉換器？ 32

1.4 什么是隔離開關電源和非隔離開關電源？ 33

1.8 什么是負載點（POL, Point-Of-Load）電源？ 33

1.5 開關電源的類型總結 34

1.6 什么是尺度平移方法？ 36

1.6.1 小尺度與大尺度 36

1.6.2 尺度平移方法 37

1.6.3 動能公式、電能公式和磁能公式 38

1.7 溫故知新之電感和電容的基礎知識 40

1.7.1 理解開關電源中的儲能電容和功率電感？ 40

1.7.2 儲能電容 40

1.7.2.1 電容？電容器？電容量？ 41

1.7.2.2 電容元件的伏安關系 41

1.7.2.x 溫度特性 42

1.7.2.x 直流偏壓特性 43

1.7.2.x 什么是等效串聯電阻（Equivalent Series Resistance, ESR）？ 43

1.7.2.x 什么是等效串聯電感（Equivalent Series Inductance, ESL）？ 43

1.7.3 功率電感 44

1.7.3.1 什么是電感？ 44

1.7.3.2 電感元件的伏安關系 45

1.7.3.2 電感的鐵芯材料有哪些？鐵芯形狀有哪些？封裝結構有哪些？ 45

1.7.3.3 什么是電感磁飽和？ 48

1.7.3.4 什么是溫升電流、RMS電流、飽和電流、額定電流？ 50

1.7.3.5 什么是直流電阻（DC Resistance, DCR）？ 53

1.7.3.6 什么是交流電阻（AC Resistance, ACR）？ 53

1.7.3.7 什么是自諧振頻率（Self-Resonant Frequency, SRF）？ 53

1.7.3.8 功率電感有耐壓值這個參數？ 55

1.7.3.9 功率電感的損耗 55

1.7.3.10 功率電感的選型 55

1.7.3.11 功率電感元件示例 55

第2章  降壓電路的工作原理 59

2.1 降壓電路的工作原理 59

2.1.1 為什么需要降壓拓撲？ 59

2.1.1.1 在降壓電路被發明應用之前，將較高電壓轉換為較低電壓用什么方法？ 59

2.1.1.2 為什么需要BUCK降壓電路？或者說，降壓電路被發明是要解決什么問題？ 61

2.1.2 工作原理簡述 69

2.2 什么是非同步（異步）整流和同步整流？ 72

2.2.1 非同步降壓控制器 73

2.2.1.1 高邊開關使用P-MOSFET的非同步降壓控制器 73

2.2.1.2 高邊開關使用N-MOSFET的非同步降壓控制器 75

2.2.1 同步降壓控制器 76

2.2.1.1 高邊開關使用P-MOSFET的同步降壓控制器 76

2.2.1.2 高邊開關使用N-MOSFET的同步降壓控制器 77

2.2.3 非同步降壓轉換器 78

2.2.3.1 高邊開關使用三極管的非同步降壓轉換器 78

2.2.3.2 高邊開關使用P-MOSFET 的非同步降壓轉換器 80

2.2.3.3 高邊開關使用N-MOSFET 的非同步降壓轉換器 82

2.2.4 同步降壓轉換器 83

2.2.4.1 高邊開關使用P-MOSFET 的同步降壓轉換器 83

2.2.4.2 高邊開關使用N-MOSFET 的同步降壓轉換器 85

2.2.4.3 低邊開關使用N-MOSFET 的同步降壓轉換器 86

2.3 降壓電路的導通模式有哪些？ 87

2.3.1 連續導通模式 CCM 89

2.3.3 臨界導通模式 BCM 90

2.3.4 斷續導通模式 DCM 90

2.3.2 強迫連續模式 Forced Continuous Conduction Mode, FCCM 92

2.4 降壓電路的工作模式有哪些？ 93

2.4.1 脈沖寬度調制 PWM, Pulse Width Modulation 93

2.4.2 脈沖頻率調制 PFM, Pulse Frequency Modulation 94

2.4.3 脈沖跨周期調制 PSM, Pulse Skipping Mode 95

2.4.3 突發模式 Burst Mode 96

2.4.4 二極管模擬模式 DEM, Diode Emulation Mode 96

2.4.5 自動模式 Auto Mode 97

2.5 降壓電路的控制模式有哪些？ 97

2.5.1 電壓模式控制 Voltage-Mode Control(VMC) 97

2.5.2 電流模式控制 Current-Mode Control(CMC) 99

2.5.3 遲滯控制 Hysteretic Control 104

2.5.4 恒定導通時間控制 Constant On-Time Control 106

2.5.4.1 COT控制的基本原理 106

2.5.4.2 電壓模式-恒定導通時間（VM-COT）控制 106

2.5.4.3 電流模式-恒定導通時間（CM-COT）控制 108

2.5.4.4 模擬紋波模式-恒定導通時間（ERM-COT）控制架構 108

2.5.4.5 改進型恒定導通時間控制 Advanced-COT Control 109

2.5.4.6 紋波注入電路（Ripple Injection Circuit） 109

2.5.5 自適應導通時間控制 Adaptive On-Time Control 110

2.5.7 無縫轉換的直接控制 DCS-Control 111

2.6 開關電源的電流檢測技術有哪些？ 112

2.6.1 精密電阻檢流 113

2.6.1.1 精密電阻檢流的原理？ 113

2.6.1.2 檢流電阻該放置在哪里？ 114

2.6.2 功率電感的直流電阻（DCR）檢流 116

2.6.2.1 功率電感DCR檢流的原理？ 117

2.6.2.2 如何設置DCR檢流電路的限流閾值？ 119

2.6.2.3 如何優化DCR檢流電路的噪聲抑制能力？ 121

2.6.2.4 如何提升DCR檢流電路的一致性？ 121

2.6.2.5 為何需要DCR檢流溫度補償網絡？ 122

2.6.2.6 DCR檢流電路應用實例 122

2.6.3 MOSFET RDS(ON)檢流 124

2.6.4 檢流電路應用實例 125

2.7 開關電源的開關管驅動技術有哪些？ 125

第3章  降壓電路的參數解析 127

3.1 基本概念 128

3.1.1 什么是平均值和有效值？ 128

3.1.2 什么是對偶原理？ 130

3.1.3 降壓電路拓撲中，最重要的兩個元件是什么？ 130

3.1.4 什么是電感伏秒平衡？ 130

3.1.5 降壓電路感值計算公式的推導 135

問題 3.1：電感取值計算公式中的輸入電壓為何要使用最大值VINmax？ 137

3.1.6 什么是電容安秒平衡或電荷平衡？ 138

3.1.7 降壓電路的直流增益和直流傳遞函數 138

3.1.7.1 CCM模式的直流增益和直流傳遞函數 139

3.1.7.2 DCM模式的直流增益和直流傳遞函數 141

3.1.7.3 CCM模式與DCM模式的“關鍵條件”是什么？ 150

3.1.7.4 BUCK電路工作在CCM模式的條件是什么？ 154

3.1.7.5 輕載條件下，CCM與DCM的差異有哪些？ 155

3.1.8 降壓電路的占空比 157

3.1.8.1 CCM模式下的占空比 158

3.1.8.2 DCM模式下的占空比 161

問題 3.2：占空比與輸入電壓或輸出電壓的正比或反比關系？ 161

問題 3.3：占空比與輸入電壓、負載電流的變化關系？ 161

問題 3.4：降壓電路的占空比最小值和最大值的限制因素是什么？ 162

問題 3.5：降壓電路的占空比是否可以等于100%？ 164

問題 3.6：占空比D與CCM、DCM模式的關系？ 164

3.1.9 降壓電路的開關頻率 165

3.1.9.1 開關周期 165

3.1.9.2 開關頻率 166

問題 3.7：開關頻率大小的限制因素是什么？ 167

3.1.10 什么是死區時間 Dead Time？ 170

3.2 降壓電路中的電壓參數 171

3.2.1 什么是紋波和噪聲？ 172

3.2.2 降壓電路中有哪些電壓參數？ 173

問題 3.8：降壓電路輸出電壓最小值和最大值的限制因素是什么？ 178

問題 3.9：非同步降壓電路輸出電壓最小值和最大值精確的計算公式？ 179

問題 3.10：同步降壓電路輸出電壓最小值和最大值精確的計算公式？ 180

問題 3.11：降壓電路輸入電壓最小值和最大值的限制因素是什么？ 181

問題 3.12：非同步降壓電路輸入電壓最小值和最大值精確的計算公式？ 182

問題 3.13：同步降壓電路輸入電壓最小值和最大值精確的計算公式？ 183

問題 3.14：降壓電路的最惡劣工況是什么？ 185

3.2.3 降壓電路的輸入紋波電壓 185

3.2.3.1 輸入紋波電壓有哪些組成部分？ 185

3.2.3.2 輸入電容ESL紋波電壓 186

3.2.3.3 輸入電容ESR紋波電壓 188

問題 3.15：ΔI*ESR、Iout*ESR、(Iout+ΔI/2)*ESR、(1-D)*Iout*ESR和D*Iout*ESR，輸入電容ESR紋波電壓分量的這些表達式們，哪個才是正確的？ 188

3.2.3.4 輸入電容CIN紋波電壓 192

3.2.3.5 輸入紋波電壓 194

3.2.3.6 輸入紋波電壓的最大值是多少？ 195

3.2.3.7 如何降低輸入紋波電壓？ 196

3.2.4 降壓電路的輸出紋波電壓 197

3.2.4.1 輸出紋波電壓有哪些組成部分？ 197

3.2.4.2 輸出電容ESL紋波電壓 199

3.2.4.3 輸出電容ESR紋波電壓 199

3.2.4.4 輸出電容COUT紋波電壓 199

問題 3.16：如何推導輸出電容COUT紋波電壓分量的表達式？——也談數學之美 200

3.2.4.5 輸出紋波電壓 204

問題 3.17：如何推導DCM模式下輸出紋波電壓表達式？ 206

3.2.4.6 輸出紋波電壓的最大值是多少？ 208

3.2.4.7 如何降低輸出紋波電壓？ 208

3.2.4.8 為何需要降低輸出紋波電壓？ 209

3.2.5 降壓電路的開關節點電壓 210

3.2.5.1 什么是開關節點？ 210

3.2.5.1 如何減小開關節點的振鈴？ 211

3.2.6 降壓電路的電壓應力總結 211

3.3 降壓電路中的電流參數 212

3.3.1 開關電源有哪些電流參數？ 216

3.3.1.1 瞬時電流 217

3.3.1.8 紋波電流或峰峰值電流 218

3.3.1.2 交流電流 218

3.3.1.3 直流電流 218

3.3.1.4 平均電流 219

3.3.1.5 有效電流/均方根電流 219

3.3.1.6 峰值電流和谷值電流 219

3.3.1.7 谷值電流 220

3.3.1.9 什么是靜態電流和關斷電流？ 220

3.3.2 電流紋波系數 221

3.3.2.1 電流紋波系數的定義 221

3.3.2.2 電流紋波系數 r 與感值 L 的關系？ 221

3.3.2.3 電流紋波系數 r 在BUCK電路正常工作中是恒定的還是變化的？ 223

3.3.2.4 紋波電流 ΔIL 在BUCK電路正常工作中是恒定的還是變化的？ 225

3.3.2.5 電流紋波系數 r 需要在 [0, 2] 之間取值，為什么？ 226

3.3.2.6 電流紋波系數 r 在 [0, 2] 區間取值是否有最優值呢？ 227

3.3.2.7 電流紋波系數 r 該選擇0.2、0.3還是0.4，為什么呢？ 229

3.3.2.3 電流紋波系數 r 與 CCM、BCM 和 DCM 三種模式的關系？ 230

3.3.2.4 電流紋波系數 r 在 0 < r < 2 之間取值是否有最優值？ 230

3.3.3 電感的紋波電流 232

3.3.3.1 紋波電流理論值 232

3.3.3.2 紋波電流實際值 233

問題 3.18：紋波電流?IL與占空比D的關系？ 235

3.3.3.3 紋波電流瞬時值 236

3.3.4 電感的瞬時電流 237

3.3.5 電感的平均電流 238

3.3.6 電感的有效電流 241

問題 3.19：電感電流有效值計算公式(3.240)是如何推導來的？ 245

3.3.7 電感的峰值電流和谷值電流 247

3.3.8 高邊開關管的瞬時電流、平均電流和有效電流 248

3.3.8.1 高邊開關管上的瞬時電流 248

3.3.8.2 高邊開關管上的平均電流 248

3.3.8.3 高邊開關管上的有效電流 251

3.3.9 低邊開關管或續流二極管的瞬時電流、平均電流和有效電流 252

3.3.9.1 低邊開關管或續流二極管上的瞬時電流 252

3.3.9.2 低邊開關管或續流二極管上的平均電流 252

3.3.9.3 低邊開關管或續流二極管上的有效電流 253

3.3.10 輸入電容的瞬時電流、平均電流和有效電流 254

3.3.10.1 輸入電容的瞬時電流 255

3.3.10.2 輸入電容的平均電流 257

3.3.10.3 輸入電容的有效電流 259

問題 3.20：輸入電容均方根電流的最大值是多少？該最大值的指導意義是什么？ 263

3.3.11 輸出電容的瞬時電流、平均電流和有效電流 265

3.3.11.1 輸出電容的瞬時電流 265

3.3.11.2 輸出電容的平均電流 265

3.3.11.3 輸出電容的有效電流 267

3.3.12 輸入端和輸出端的平均電流 269

問題 3.21：理論上輸入電流的最小值是多少？ 270

3.3.13 降壓電路的電流應力總結 270

3.4 降壓電路的功率、損耗和效率 273

3.4.1 輸入功率、輸出功率、損耗功率和效率 273

3.4.2 電感上的功率損耗 275

3.4.2.1 直流電阻損耗（DC Resistance Loss） 275

3.4.2.2 交流電阻損耗（AC Resistance Loss） 276

3.4.3 開關管上的功率損耗 277

3.4.3.1 導通損耗（Conduction Loss） 278

3.4.3.2 截止損耗（Cut-off Loss） 288

3.4.3.3 開關損耗（Switching Loss） 289

3.4.3.4 死區時間損耗（Dead Time Loss） 299

3.4.3.5 體二極管反向恢復損耗（Reverse Recovery Loss） 301

3.4.3.6 輸出電容損耗（Output Capacitance Loss in the MOSFET） 303

3.4.3.7 柵極驅動損耗（Gate Charge Loss） 303

3.4.4 續流二極管上的功率損耗 312

3.4.4.1 續流二極管正向導通功率損耗 312

3.4.4.2 續流二極管反向恢復功率損耗 313

3.4.5 輸入電容上的功率損耗（Input Capacitor Loss due to ESR） 314

3.4.6 輸出電容上的功率損耗（Output Capacitor Loss due to ESR） 315

3.4.7 器件工作損耗（IC Operation Loss） 315

3.4.8 非同步與同步降壓電路的功率損耗計算案例 315

3.4.9 小結 319

問題 3.22：如何從元器件的角度提升BUCK電路的轉換效率？ 319

第4章  動態響應與頻率補償 320

4.1 如何理解動態響應？ 320

4.2 為何需要控制環路？ 320

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