Demystifying Switching Power Supplies

weiqun2008

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chapter One: Basic Switching Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Energy Storage Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Buck Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Inverting Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Buck-Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Transformer Isolated Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Synchronous Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Charge Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Chapter Two: Control Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Basic Control Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
The Error Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Error Amplifier Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
A Representative Voltage Mode PWM Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Current Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
A Representative Current Mode PWM Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Charge Pump Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Multiple Phase PWM Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Resonant Mode Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Chapter Three: The Input Power Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Off-Line Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Radio Interference Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Safety Agency Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Power Factor Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
In-Rush Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
v
Hold-Up Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Input Rectifier Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Input Reservoir Capacitor Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Chapter Four: Non-Isolated Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
General Design Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Buck Converter Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Boost Converter Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Inverting Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Step Up/Step Down (Buck/Boost) Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Charge Pump Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Layout Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Chapter Five: Transformer-Isolated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Feedback Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Flyback Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Practical Flyback Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Off-Line Flyback Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Non-Isolated Flyback Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Forward Converter Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Practical Forward Converter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Off-Line Forward Converter Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Non-Isolated Forward Converter Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Push-Pull Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Practical Push-Pull Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Half Bridge Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Practical Half Bridge Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Full Bridge Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Chapter Six: Passive Component Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Capacitor Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Aluminum Electrolytic Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Solid Tantalum and Niobium Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Solid Polymer Electrolytic Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Multilayer Ceramic Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Film Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Contents
vi
Resistor Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Carbon Composition Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Film Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Wire Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Chapter Seven: Semiconductor Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Diode Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Junction Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Schottky Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Bipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Power MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Gate Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Safe Operating Area and Avalanche Rating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Synchronous Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Sense FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Package Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
IGBT Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Chapter Eight: Inductor Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Properties of Real Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Core Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Designing a Powder Toroid Choke Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Choosing a Boost Converter Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Chapter Nine: Transformer Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Transformer Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Safety Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Practical Construction Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Choosing a Forward Converter Transformer Core . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Practical Flyback Core Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Choosing a Flyback Converter “Transformer” Core . . . . . . . . . . . . . . . 273
Chapter Ten: A “True Sine Wave” Inverter Design Example . . . . . 277
Design Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Design Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Preregulator Detailed Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Contents
vii
Output Converter Detailed Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
H Bridge Detailed Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Bridge Drive Detailed Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Chapter Eleven: A PC Off-Line Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Setting Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
The Input Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
DC–DC Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Diode Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Inductor Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Capacitor Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Transformer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

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