基于半桥谐振式开关电源的设计毕业论文.doc

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1、2011届学生毕业论文材料(四)学 生 毕 业 论 文课题名称基于半桥谐振式开关电源的设计姓 名夏小峰学 号0812202-26院 系通信与电子工程学院专 业电子信息工程指导教师周来秀 讲师2012年04月19日湖南城市学院本科毕业论文诚信声明本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文,是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文作者签名: 二一二年 六 月 一 日目

2、 录摘 要1关键词1Abstract.2Key word2引言31. 总体设计方案及要求32. 主要电路模块设计42.1 保护电路42.1.1 浪涌电流保护.42.1.2 阳极电压保护.52.1.3 尖峰吸收保护电路52.2 无线频率干扰(RFl)滤波器.52.3整流滤波电路设计.62.3.1初级桥式整流滤波电路62.3.2次级整流电路.72.4 PFC功率校正电路设计. .72.4.1 L6562引脚功能介绍 82.4.2 L6562应用电路. 82.5 DC/AC逆变器拓扑.82.5.1 R7731引脚功能介绍 .92.5.2 R7731应用电路92.5.3 L6599引脚功能介绍 .92

3、.2.4 L6599应用电路.132.6 次级三端稳压电路.142.7 反馈组电路设计.153.参考文献. .164.附录1(整体电路图) .185附录2(实物图).20基于半桥谐振式开关电源的设计摘 要:利用率开关电源的开关管工作在高速的通与断两种状态,所以称为开关电源,其原理是用整流电路先把交流变成直流,再用开关管把直流电变成高频的直流电,这个高频直流在通过开关变压器时,在次级感应出交流电流,再通过整流滤波后,变成平稳的直流电,同时有控制电路根据输出电压调整开关管的通与断的比例(占空比)。由于开关变压器的频率很高,同样的功率,体积可以做的很小,所以整个电源可以做到体积小重量轻。本次设计是基

4、于半桥谐振式开关电源,利用PWM逻辑控制器LD7535以及高压谐振控制器L6599组成DC/AC逆变器拓扑,集反激式开关电源技术和半桥谐振式开关电源技术与一体,具有多路输入特点,并且采用L6562PFC电路,对电源功率校正,使得电源效率大大提高到85%左右。这款电源是针对目前国内外平板电视而设计,在末端添加了逻辑时序电路,用以实现平板电视待机控制。本次设计采用高压谐振荡器来产生脉冲使得电压的输出可以通过调节脉冲发生器的占空比来获得不同的电压,并且可以通过提高振荡器的频率使得输出电压稳定,提高了开关的频率就提高了电源效率,本设计的交流输入电压范围是120V265V,该电源能同时实现输入欠压保护、

5、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。 关键词:开关电源;半桥谐振;反激;LD7535;L6599;L6562;功率校正;脉宽调制Half bridge resonant switching power supply DesignAbstract: Utilization of switch power supply switch tube in high speed of the work with broken two kinds of state, so called switch power, its principle is to use the first recti

6、fier circuit exchange into dc, again with a switch tube into the direct current high frequency of dc, the high frequency dc in through the switch transformer, in sub sense if ac current, again through the rectifier filter, into a stable of dc, and according to the output voltage control circuit swit

7、ch tube and the proportion of the broken (occupies emptiescompared). Because of the high frequency transformer switch, the same power, volume can do is small, so the whole power can do small volume light weight. This design is based on the half bridge resonant switching power supply, using PWM logic

8、 controller LD7535 and high pressure resonance controller L6599 composition DC/AC inverter topology, set flyback type switch power technology and half bridge resonant switching power supply technology and an organic whole, have more road input characteristics, and the L6562PFC circuit, the power is

9、correct, that the efficiency greatly improved to 85%. This type of power supply for the domestic and foreign flat TV and design, at the end added logic sequential circuits to reach the flat TV standby control. This design adopts high voltage harmonic oscillator to generate the pulse voltage output c

10、an be made by adjusting the pulse generator of empty than get different voltage, and can improve the frequency of the oscillator through that output voltage stability, improve the switch frequency improved power efficiency, the design of the input voltage range communication is 120 V-265 V, this pow

11、er can also achieve the input voltage protection, over-voltage protection from external set limit, current, reduce the maximum occupies emptiescompared etc. Function.Key word: Switch power source; Half bridge resonance; Flyback; LD7535; L6599; L6562; Power correction; Pulse width modulation;引言:开关电源的

12、发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步 开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获 得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源工作效率。 对于高可靠性指标,美国的开关电

13、源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗 余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上 即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发

14、展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。1 总体设计方案如图1-1-1所示,电源整体电路系统由输入浪涌电流及阳间电压保护电路、无线频率干扰(RFl)滤波器、整体桥式整流滤波电路设计、PFC功率校正电路设计、DC/AC逆变器拓扑、次级三端稳压电路、次级整流滤波电路、反馈组电路设计、逻辑时序电路九个部分组成。这次设计的电源应用在平板电视上,设计指标都严格按目前平板电视的要求来制定的。输入电流在100V-264V之间,AC输入电源频率范围在47HZ-63HZ,最大连续输入电流小于3 A,电源效率大于80%,待机功率小于1W。由于本次设计要求多路输出,所以综合采用了反激和半桥两种拓扑。辅助电路PFC

15、功率校正RFI滤波器高频变换开关元件整体滤波输出整流滤波器滤波器高频隔离变压器DC输出AC输入PWM控制逻辑图1-1-1电源原理方框图2 主要电路模块设计电源整体电路系统由输入浪涌电流及阳间电压保护电路、无线频率干扰(RFl)滤波器、整体桥式整流滤波电路设计、PFC功率校正电路设计、DC/AC逆变器拓扑、次级三端稳压电路、次级整流滤波电路、反馈组电路设计、逻辑时序电路九个部分组成。2.1 保护电路2.1.1浪涌电流保护隔离式开关电源在加电时,会产生极高的浪涌电流,必须在电源的输入端采取一些限流措施,才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的,在开关管开始导通的

16、瞬间,电容对交流呈现出很低的阻抗,如果不采取任何保护措施,浪涌电流可接近几百安培。另外还要安装保险丝。通常广泛采用的措施有两种,一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络;另一种方法是采用负温度系数(NTc)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗,把浪捅电流减小到安全值。在本次设计中我们是采用福温热敏电阻。热敏电阻技术:这种方法是把NTc(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。图2-1-1是热敏电阻的温度系数如图2-1-1所示,a是热敏电阻的温度系数,用每度百分比(c)表示。当开关电源接通时,热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样,由于阻值较大,它就限制了浪涌电

17、流。当电容开始充电时,充电电流流过热敏电阻,开始对其加热。由于热敏电阻具有负温度系数,随着电阻的加热,其电阻值开始下降,如果热敏电阻选择得合适,在负载电流达到稳定状态时,其阻值应该是最小。这样,就不会影响整个开关电源的效率。2.1.2 输入阳级电压保护在一般情况下,交流电网上的电压为115v或230v左右,但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关,暴风雨天气时的雷电现象,都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响,电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面,电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式:W=LI2公式中L是电感器的漏感,I是通过线圈的电流。由此可见,虽然电压尖峰持续的时间很短

18、,但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器。把压敏电阻Rv连在交流电压的输入端。压敏电阻起到一个可变阻抗的作用。也就是说,当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时它的阻抗急剧减小到一个低值,消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上。图2-1-2所示,RT901为负温热敏电阻,F901为保险丝,RV901为压敏电阻。图2-1-2电流和电压保护电路2.1.3 尖峰吸收保护电路在单端反激变换电路中,当MOS管关断瞬间,变压器释放能量,此时MOS漏极

19、将会有个极高的瞬间电压,为了保护MOS管的安全,我们加入了一个尖峰吸收电路。图2-1-3尖峰吸收电路如图,当MOS管关断,RL207就被变压器线圈产生的自感电动势驱动打开,尖峰电动势变进入CB903和电阻组成的吸收电路被吸收掉。2.2 无线频率干扰(RFl)滤波器在方波的上升沿和下降沿有很多高次谐波,如果这些高次谐波反馈到输入交流线,就会对其它电子设备产生干扰。因此,在交流输入端,必须要设置无线频率干扰(RFl)滤波器,把高频干扰减少到可接收的范围。图2-2-1 无线频率干扰滤波器如图2-2-1所示,L901、L902为共模电感,L901滤除电网中的高频成分,防止电网中的高次谐波干扰电源,而L

20、902刚好相反,防止电源产生的高次谐波污染电网。C901为安规电容,滤除差模干扰;C904,C903为Y电容滤除共模干扰。R901为安规电容和Y电容的放电电阻。2.3 整流滤波电路设计2.3.1初级桥式整流滤波电路桥式整流电路是常见的整流滤波电路,桥式整流器利用四个二极管,两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通,得到正的输出;输入正弦波的负半部分时,另两只管导通,由于这两只管是反接的,所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。图2-3-1桥式整流滤波电路如图2.3.1所示,电容C902、CF908为滤波,在正半周时D1、D2导通,D3、D4关断;

21、在负半周时D3、D4导通,D1、D2关断。2.3.2次级整流电路肖特基二极管(SBD)是一种低功耗、大电流、超高速半导体器件。其显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右,而整流电流却可达到几千安培。肖特基二极管多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。常用在彩电的二次电源整流,高频电源整流中。图2-3-2次级整流滤波电路如图2-3-2所示,后面电容的作用有两个,一个是储能续流,另一个是滤波。2.4 PFC功率校正电路设计2.4.1 L6562引脚功能介绍PFC的英文全称为“Power

22、 Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 由于设备中有电容,电感,变压器等器件使电压和电流不同步,这样出现无功功率, 另外开关管,整流器等作用,输出电流中有畸变,谐波含量比较大,这样导致功率因数下降.本次设计运用模拟集成电路L6562进行功率校正,封装如下图:图2-4-1 L6562封装图INV(引脚1):误差放大器的反向输入端。PFC输出电压由分压电阻分压后送入该脚。 COMP(引脚2):误差放大器输出端。补偿网络设置在 该脚与INV端之间,以完成电压控制环路的稳定性和保证有高的功率因数与低的谐波失真(THD)。 MULT(J

23、I脚3):乘法器输入端。该脚通过分压电阻分压, 连接到整流器整流电压端,提供基准的正弦电压给电流环。 Cs(引脚4):输入到PWM比较器。MSOFET的电流流过取样电阻,在电阻上产生电压降,该电压与内部的正弦电压 形成基准信号,与乘法器比较来决定MOSFET的关闭。 ZCD(引脚5):升压电感去磁侦测输入端。工作在临界传导模式,用负极性信号的后沿来触发MOSFET的导通。 GND(引脚6):该引脚为芯片地。GD(引脚7):栅极驱动输出。“图腾柱”输出能直接驱动M0SFET或IGBT,对源极峰值推动电流是6OOmA,吸收电流是800mA。 Vcc(引脚8):芯片电源。电压供给IC内部信号与栅极驱

24、动,供电电压被限制在22V以下。2.4.2 L6562应用电路图2-4-2 L6562应用电路图如图2-4-2所示,APFC功率因数校正器的输出电压V0经电阻采样后,通过芯片脚输入到误差放大器EA的反相输入端。内部的25V基准电压,由同相端输入EA,经EA比较放大后,输出至乘法器M2。由全桥整流的交流电压被采样电阻分压器采样,通过3脚输入乘法器M1乘法器的输出电压则正比于M1 和M2 的乘积。外接功率MOSFET的源极串联电阻,将漏极的升压电感器L的峰值电流取样,由4脚输入电流误差放大器,并与乘法器输出电压作参考。当4脚上的电压达到门限值,也就是L中的电流达到峰值后,PWM比较器将停止驱动Q的

25、栅极,并电流达到峰值后,PWM比较器将停止驱动Q的栅极,并流下降到零之前,Q一直处于关断状态。在Q关断时,电感器L中贮存的能量释放,通过升压二极管D贮存在输出感器L中贮存的能量释放,通过升压二极管D贮存在输出感器L中贮存的能量释放,通过升压二极管D贮存在输出出PWM脉冲,驱动Q导通。在MOSFET导通时,升压二极管D截止,输出电容C中储能向负载供电。2.5 DC/AC逆变器拓扑2.5.1 LD7731引脚功能介绍是电流控制模式模式的6脚PWM控制器,具有低功耗,低启动电流的特点。图2-5-1 R7731封装图GND 接地。COMP 电压反馈脚,通过连接一个光电耦合器去关闭回路校准电压。RT 该

26、引脚通过连接一个采样电阻来控制开关频率。CS 电流感应脚,感应接收MOS管得电流。VCC 供电电压脚。OUT 栅极驱动输出。2.5.2 R7731应用电路图2.5.2 R7731实际应用电路如图2-5-2所示,R7731是个PWM脉宽调制电路,通过调节PWM波的占空比来控制MOS打开和关断时间比以此来控制输出电压,RT该引脚通过连接一个采样电阻来控制开关频率。COMP和CS一个接收由光电耦合器反馈过来的电压另一个接收MOS管S级反馈过来电流,R7731以这两个值为根据调节占空比,ZDB901为稳压二极管,给IC提供稳定工作电压,CB905主要是储能,保证IC持续供电,同时也有保护作用。当OUT

27、端输出正脉冲时,MOS管打开瞬间,为了防止MOS管栅极电流过大,加入了一个阻值较大的电阻RB911来限制电流,可当MOS关断时,栅极结电容需要放电,RB911延长了结电容放电的时间。我们知道开关电源效率和开关频率成正比,延长结电容放电时间无疑会影响电源效率,所以加入低通超快恢复二极管DB903,当OUT端正脉冲结束时,二极管导通,结电容迅速放电,MOS管关闭。2.5.3 L6599引脚功能介绍图2.5.3 L6599封装图CSS 软启动端。此脚与地(GND)间接一只电容Css,与4脚(RFmin)间接一只电阻Rss,用以确定软启动时的最高工作频率。当Vcc(12脚)UVLO(低电压闭锁),LI

28、NE(7脚)6V,DIS(8脚)1.85V(禁止端),ISEN6 脚)1.5V,DELAY(2 脚)3.5V,以及当ISEN 的电压超过0.8V 并长时间超过0.75V时,芯片关闭,电容器Css 通过芯片内部开关放电,以使再启动过程为软启动。DELAY 过载电流延迟关断端。此端对地并联接入电阻Rd和电容 Cd 各一只,设置过载电流的最长持续时间。当ISEN脚的电压超过0.8V时,芯片内部将通过150uA的恒流源向Cd充电,当充电电压超过2.0V时,芯片输出将被关断,软启动电容Css上的电也被放掉。关断之后,过流信号消失,芯片内部对Cd充电的3.5V电源被关断,Cd上的电通过 Rd 放掉,至电压

29、低于0.3V时,软启动开始。这样,在过载状态下,芯片周而复始地工作于间歇工作状态。(Rd应不小于2V/150uA13.3k。Rd 越大,允许过流时间越短,关断时间越长。)CF 定时电容。对地间连接一只电容CF,和4脚对地的RFmin配合可设定振荡器的开关频率。RFmin 最低振荡频率设置。4脚提供2V基准电压,并且,从4脚到地接一只电阻 RFmin,用于设置最低振荡频率。从4脚接一只电阻RFmax,通过反馈环路控制的光耦接地,将用于调整交换器的振荡频率。RFmax是最高工作频率设置电阻。4脚1脚GND间的RC网络实现软启动。STBY 间歇工作模式门限( 1.85V、ISEN 1.5V、LINE

30、 6V 和 STBY 1.25V关闭时,9脚输出被拉低。当 DELAY 端电压超过2V,且没有回复到 0.3V之下时,该端也被拉低。在UVLO(低压闭锁)期间,该引脚是开放的。允许此脚悬空不使用。GND 芯片地。回路电流为低端门极驱动电流和芯片偏置工作电流之 和。所有相关的地都应该和这个脚连通,并且要同脉冲控制回路分开。LVG 低端门极驱动输出。该脚能够提供 0.3A 的输出电流和 0.8A 的灌入峰值电流驱动半桥电路的低端 MOS管。UVLO期间,LVG被拉低到地电平。Vcc 电源包括芯片的信号部分和低端 MOS 管的门极驱动。接一只小的滤波电容(0.1uF)有利于芯片信号电路得到一个干净的

31、偏置电压。N.C. 空引脚,用于高电压隔离,增大Vcc和14脚间的间距。该脚内部没有空引脚,用于高电压隔离,增大Vcc和14脚间的间距。该脚内部没有连接,与高压隔离,并且使得在PCB上能够满足安全规程(漏电距离)的要求。OUT 高端门极驱动的浮地。为高端门极驱动电流提供电流返回回路。应仔细布局以避免出现太大的低于地的毛刺。HVG高端悬浮门极驱动输出。该脚能够提供0.3A的输出电流和0.8A的灌入峰值电流驱动半桥电路的上端MOS管。有一只电阻通过芯片内部连接到14脚(OUT)以确保在 UVLO期间不悬浮驱动。VBOOT 高端门极驱动浮动电源。在16脚(Vboot)与14脚(OUT)间连接一只自举

32、电容,被芯片内部的一个自举二极管与低端门极驱动器同步驱动。 2.5.4 L6599应用电路图2-5-4 L6562应用电路如图2-5-4所示,L6599是一个用于谐振半桥拓扑电路的精确的双端控制器。它提供50%占空比:在同一时间高端和低端180反相。输出电压的调整是通过调整工作频率来实现。在高低端开关管的开关之间插入一个固定的死区时间来保证软开关的实现和能够工作于高频开关状态。 用自举方法驱动高端开关,IC整合了一个能够承受600V以上电压的高压浮动结构和一个同步驱动式高压横向双扩散金属氧化物半导体(DMOS)器件,节省了一个外部快速恢复自举二极管。集成电路使设计师通过一个外部可设定的振荡器来

33、设置转换器的工作频率范围。 启动时,为防止开机涌流,开关频率从一个可设定的启动极限频率逐步降低,直到控制回路达到稳定值为止。这个频率变化是非线性的,它将输出电压过调降到最低限度;启动过程的时间可以设定。 在轻载状态下,集成电路可以被迫进入一个间歇脉冲工作模式,以便维持转换器的输入能量到一个最小值。 集成电路的功能包括非闭锁的低门限输入使用电流延迟作用或高门限的过流保护,当电流检测输入时,具有变频和延迟关闭自动重启两种方式。 如果第一级的保护不足以控制住主回路电流,高电平过流保护将闭锁集成电路。它们的组合提供完全的过载和短路保护。另外还有闭锁的过温和过压保护也很容易实现。 一个与PFC控制器的接

34、口,可以在条件发生时,例如过流保护停机和闭锁式停机,或者在间歇脉冲工作状态,关掉PFC。2.6 次级三端稳压电路TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2,在很多应用中用它代替齐纳二极管对电源末端进行稳压。如图2-6-1所示,R29为保护电阻,R31两端电压为2.5V,则只需调整R30的电阻即可调整输出端对地的电压,U=2.5*(1+R30/R31)。图2-6-1三段稳压电路2.7 反馈组电路设计本次设计的开关电源,隔离技术和抗干扰技术是至关重要的,光耦合器(opti

35、cal coupler)英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换。通常的光电耦合器由于它的非线性,因此在模拟电路中的应用只限于对较高频率的小信号的隔离传送。普通光耦合器只能传输数字(开关)信号,不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。图2-7-1 反馈电路光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降V

36、F、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外,在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。如图2-7-1所示,光电耦合器采集的是RW960的电压,也就是输出电压。参考文献1 张天芳.开关电源电磁兼容(EMC)的研究J. 职业, 2007,(10):1032 黎粤梅.高频开关电源节能技术的探索J. 科技资讯,2011,(17):115-1163 茹东生,姜茂仁,李洪烈.开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真J. 中国测试技术, 2005,(04):44-464

37、宋福根.高频开关电源有源EMI滤波器应用研究J. 电工电气,2009,(04):31-335 宋军军.高频开关电源开关损耗的成因及改进方法J. 电信科学, 1998,(12):43-446 孙慧贤,王群.开关电源电磁干扰的抑制措施J. 低压电器, 2005,(08):54-567 谢仁践,张波.小功率、高效率、高频DC-DC开关电源的研制J. 电子元器件应用, 2001,(08):39-428 李志远.变电所直流系统采用高频开关电源的探讨J. 山西焦煤科技,2003,(03):4-59 姚伟,张娟.基于抑制瞬流的节能技术J. 科技情报开发与经济, 2008,(30):217-21810 杨晓静.高频开关电源的研究与设计D. 武汉理工大学, 2011附录二:

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