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編輯推薦

本書作者從事多年電子電路等方麵的教學和科研工作，積纍瞭豐富的教學和科研經驗，結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具，從原理到應用進行入門性質的講解。

本書有理論介紹、選型與設計、應用實例、PCB布局布綫，從多方麵介紹瞭DC-DC變換電路。

本書語言簡潔、準確、易懂，描述清晰，可作為選修課程的教材，也可以作為有興趣學生的課外讀物。

本書幫助DC-DC變換電路設計初學者快速入門，並使其深入體會DC-DC電路設計的樂趣。

內容簡介

　　《DC-DC變換電路原理及應用入門》以模擬電子技術課程中介紹的直流電源知識為基礎，結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具，對DC�睤C變換電路的原理和應用進行入門性質的講解。主要內容既有綫性穩壓器和開關穩壓器電路基本工作原理，又有基於WEBENCH工具的TI電源管理産品綫的選型和設計，同時還結閤作者的産品開發經曆介紹瞭三個實際的應用實例，此外還涉及開關穩壓器電路的布局布綫問題。本書可以作為電源類選修課程的教材，也可作為學生在課外科技活動中進行電源製作的入門讀物。

目錄

第1章DC�睤C變換電路及其分類

1.1DC�睤C變換電路在電子設備方麵的需求

1.2DC�睤C變換電路的主要性能指標

1.3DC�睤C變換電路的發展和分類

1.4動手實驗

第2章綫性穩壓器

2.1綫性穩壓器的産生和發展

2.2綫性穩壓器的基本組成及工作特點

2.3綫性穩壓器的基本實現電路

2.3.1基本實現電路

2.3.2性能仿真

2.3.3性能測試

2.4綫性穩壓器産品實例

2.4.1獲取産品數據手冊

2.4.2TPS79533概況

2.4.3TPS79533的內部結構

2.4.4TPS79533的性能指標

2.4.5TPS79533的使用方法

2.4.6實際電路製作和測試

2.5綫性穩壓器的應用

2.6動手實驗

第3章開關穩壓器

3.1開關穩壓器的産生和發展

3.2Buck開關穩壓器的基本組成及工作特點

3.3Buck開關穩壓器的基本實現電路

3.3.1基本實現電路

3.3.2性能仿真

3.3.3電路中各點的波形

3.4Buck和Boost開關穩壓器産品實例

3.4.1TPS62290

3.4.2TPS61500

3.5開關穩壓器的應用

3.6動手實驗

第4章選型與設計

4.1概述

4.2TI電源管理産品綫

4.3選型指南

4.4WEBENCH設計工具

4.4.1WEBENCH設計工具的啓動

4.4.2基於LDO的Buck穩壓器設計

4.4.3基於開關穩壓器的Buck電路設計

4.5設計和實現中的幾個問題

4.5.1環路穩定性問題

4.5.2元器件的正確選型

4.6動手實驗

第5章應用實例

5.1概述

5.2FPGA供電電路

5.2.1電源管理需求

5.2.2電源管理芯片的選擇

5.2.3外圍電路的設計

5.2.4FPGA供電電路的實現

5.2.5WEBENCH中的FPGA電源輔助設計

5.3LED照明供電電路

5.3.1電源管理需求

5.3.2電源管理芯片的選擇

5.3.3外圍電路的設計

5.3.4LED供電電路的實現

5.3.5WEBENCH中的LED電源輔助設計

5.4基於FPGA的綜閤電子實驗平颱供電係統

5.4.1實驗平颱開發背景

5.4.2電源管理需求

5.4.3電源管理芯片的選擇

5.4.4外圍電路的設計

5.4.5電源管理模塊的實現

5.4.6WEBENCH中的多路電源輔助設計

5.5動手實驗

第6章開關穩壓器電路的PCB布局布綫

6.1概述

6.2PCB中的電流分布

6.3高di/dt環路的PCB設計

6.4接地問題

6.5元件的布局布綫

6.6TPS40210布局布綫實例分析

參考文獻

前言/序言

幾乎所有的電子産品的製作都離不開直流（DC）電源。

在TI公司電源技術會議和TI 教育者年會上，許多高校的一綫教師共同就電源教學展開深入討論。很多老師認為目前電源方麵的教學存在缺失，開展相關的教材和課程建設是非常有必要的。

在高等學校電子信息大類基礎課程教學中，模擬電子技術相關課程對直流電源的基本原理和相關概念進行瞭初步介紹； 之後，學生利用業界最新的産品進行DC�睤C變換電路設計。這中間存在一條鴻溝。

電源是電子技術中比較難的一個分支。通過和一些學生進行交流發現，大部分學生可以基本上理解模擬電子技術教材中關於直流電源的內容，但是去閱讀相關的電源産品手冊或電源方麵的專業書籍時卻看不懂。而之後學生在進行實際的電源電路製作時，往往隻是一知半解地照貓畫虎，照搬現成的設計，而不知其所以然。

本書嘗試前承模擬電子技術課程中介紹的直流電源基礎知識，結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具，對DC�睤C變換電路的原理和應用進行入門性質的、深入淺齣的闡述。

TI公司將電源方麵的教學支持列為2015年大學計劃的重點。本書既可作為電源類選修課程的教材，也可作為學生進行電源製作的入門讀物。

電子設備對DC�睤C變換電路的一個基本需求是在輸入電壓有波動和輸齣端負載有變化的情況下，為其內部各模塊電路提供穩定的直流電源供電。本書分彆對綫性穩壓器和開關穩壓器電路及其工作原理進行介紹，並結閤WEBENCH設計工具介紹基於TI電源管理産品綫的選型和設計。最後結閤作者的産品開發經曆介紹三個實際的應用實例，並對開關穩壓器電路的布局布綫進行介紹。

全書共分為6章，每章最後一部分設有動手實驗內容。第1章到第5章的內容由清華大學自動化係任艷頻編寫，第6章的內容由TI電源工程師編寫。清華大學自動化係2008級本科生塗光煒同學基於TI的電源管理芯片製作瞭大量實驗闆，並進行性能測試和比較。清華大學自動化係2011級本科生李奇、宮崎、劉金祥和龔遠峰同學閱讀瞭TI的多款電源管理産品數據手冊，並對WEBENCH仿真設計工具進行瞭試用。

各章內容簡要介紹如下：

第1章DC�睤C變換電路及其分類

對DC�睤C變換電路的一個基本需求是在輸入電壓有波動和輸齣端負載有變化的情況下，為電子設備各模塊電路提供穩定的直流電源供電。

衡量DC�睤C變換電路性能的主要指標包括穩壓係數或電源電壓調節率、輸齣電阻或負載調節率、輸齣紋波或電源紋波抑製比、環路穩定性、瞬態響應、效率等。在電源理論和應用的學習中，瞭解主要性能指標及其測試方法是非常重要的一環。

目前主要使用兩大類DC�睤C變換電路： 綫性穩壓器（Linear Regulator）和開關穩壓器（Switching Regulator）。綫性穩壓器和開關穩壓器的主要區彆在於： 綫性穩壓器，從輸入到輸齣，能量的傳輸是連續不斷的； 而開關穩壓器，從輸入到輸齣，能量的傳遞是間歇式的，間歇式的脈衝能量到達輸齣端後再進行平穩的釋放。

第2章綫性穩壓器

綫性穩壓器在穩壓管穩壓電路的基礎上發展而來。綫性穩壓器的基本組成包括調整管、基準電壓電路、采樣電路和比較放大電路四個部分。

為瞭加深對綫性穩壓器基本實現原理的理解，本章首先基於分立元件搭建瞭一個綫性穩壓器基本實現電路，並利用Multisim對其主要性能進行仿真，同時進行實際測試。接著，以TI的綫性穩壓器芯片TPS79533為例，對其數據手冊獲取方法、內部電路結構、性能指標、使用方法、應用電路的製作和測試進行介紹。在介紹電路結構時，與前麵的綫性穩壓器基本實現電路進行瞭對比，以加深理解，並通過解讀芯片內部結構和仿真波形，加深對基本概念的瞭解。

第3章開關穩壓器

開關穩壓器與綫性穩壓器最大的不同是調整管工作在開關狀態，能量以間歇式的脈衝形式從輸入端傳遞到輸齣端。當調整管處於斷開狀態時，調整管工作於截止區，電阻很大，流過的電流很小； 當調整管處於閉閤狀態時，調整管工作於飽和區，飽和壓降很小。於是在這兩種狀態下，調整管的功耗都較小，所以開關穩壓器通常可以達到比較高的效率。

本章首先介紹實現脈衝式能量傳遞的開關穩壓器模型及其工作原理。開關穩壓器的種類紛繁復雜，比如按輸入電壓和輸齣電壓的關係來分，有Buck降壓穩壓器、Boost升壓穩壓器和Buck�睟oost升�步笛颳妊蠱鰨� 從開關控製方式來分，有PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製和PFM（Pulse Frequency Modulation，脈衝頻率調製）； 從反饋控製方式來分，有電壓控製方式和電流控製方式。本章在內容上不求全，以Buck穩壓器為重點開展係統介紹，同時結閤具體的例子對一些重要的概念加以說明，以求突齣重點，以點帶麵。

Buck穩壓器的基本組成包括調整管、開關控製電路、采樣電路、基準電壓電路、比較放大電路和LC濾波電路六個部分。和第2章的結構類似，先基於分立元件搭建瞭一個簡單的開關穩壓器基本實現電路，並利用Multisim對其主要性能進行仿真，同時進行實際測試，並觀測電路中各點的波形。接著，以TI的Buck開關穩壓器芯片TPS62290和Boost開關穩壓器芯片TPS61500為例，對其內部電路結構、性能指標、使用方法和典型應用電路進行介紹。

第4章選型與設計

在實際應用中，如何從紛繁復雜的産品中選擇閤適的芯片進行自己的DC�睤C變換電路的設計呢？

本章首先對TI的電源管理産品綫進行梳理； 然後對DC�睤C變換電路在綫設計仿真工具WEBENCH的使用方法進行詳細介紹。通過基於LDO的Buck穩壓器設計和基於開關穩壓器的Buck電路設計示例，對WEBENCH的啓動方法、電源管理芯片選擇、外圍電路設計、電路性能的仿真等進行描述。

本章還對DC�睤C變換電路設計和實現中的環路穩定性問題進行瞭理論分析，並利用WEBENCH的波特圖仿真功能進行補充說明。分彆基於綫性穩壓器和開關穩壓器的結構分析瞭環路增益的頻率響應特性，並給齣增強環路穩定的方法。

在本章的最後，對DC�睤C變換電路設計和實現中存在的元器件正確選型問題進行瞭簡要介紹。

第5章應用實例

本章結閤三個實際的例子，對其中電源部分的解決方案進行介紹。第一個例子是FPGA供電電路，第二個例子是LED照明供電電路，第三個例子是基於FPGA的綜閤電子實驗平颱的整體電源解決方案。

結閤三個例子，分彆介紹瞭WEBENCH中針對FPGA電源、LED電源和多路電源進行輔助設計的功能。

第6章開關穩壓器電路的PCB布局布綫

PCB布局布綫的好壞將直接影響DC�睤C變換電路的性能，特彆是基於開關穩壓器的DC�睤C變換電路的性能。

本章討論瞭PCB中的電流分布、高di/dt環路的PCB設計、接地問題及元器件的布局布綫問題，並結閤一個實例進行分析。

TI在電源管理方麵的産品綫是非常豐富的，基本上覆蓋瞭綫性穩壓器和開關穩壓器的大部分産品。在産品種類上，既有通用部件，又有針對特定應用（如LED照明）的專用解決方案，同時也涉及數字電源、無綫充電等最新領域。TI為這些電源管理芯片的樣片申請提供瞭快速便捷的通道，為DC�睤C變換電路的設計和製作提供瞭有力的支持。

WEBENCH是一款非常優秀的在綫設計仿真工具，無須在客戶端安裝仿真軟件，甚至還可以將自己的設計保存在服務器上，這樣方便使用者隨時隨地進行設計和仿真。利用WEBENCH，可以在搭建實際電路前對電路的性能有更多的瞭解，並初步完成器件的選取和電路參數的設計； 同時，還可以讓初學者快速啓動自己的DC�睤C變換電路設計，並在WEBENCH環境中進行直觀驗證。

電源方麵的知識是一個浩瀚的海洋，本書所及隻是DC�睤C變換電路的冰山一角。書中的論述和示例，一定還存在諸多不足之處，在此懇請各位讀者批評指正。

編者2015年6月於北京

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