开关电源仿真与设计 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:电子工业出版社作者:[法] Christophe Basso 出品人: 页数:724 译者:吕章德出版时间:2015-5 价格:118.00元装帧:平装 isbn号码:9787121259494 丛书系列:

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具体描述

本书全面介绍了开关电源变换器的理论和仿真方法，内容主要有：电源变换器介绍、小信号建模、反馈和控制环、基本功能电路和通用模型、非隔离变换器前端整流和功率因数校正电路的仿真与设计、反激式变换器的仿真和设计、正激式变换器的仿真和设计等。本书创建了多种市场上流行变换器的理论方程，给出了相应的SPICE模型，提供了大量电路和仿真曲线插图，为读者描述了完整的开关电源变换器理论和仿真设计方法。本书特色是对开关电源理论不进行过于学术化的讨论，只给出必需的理论方程推导，同时通过大量实例介绍了仿真方法，并提供了应用常用仿真软件对这些开关电源变换器电路进行仿真的完整模型，架起了理论分析和市场应用之间的桥梁。

《高级嵌入式系统设计与实践》图书简介在当今快速发展的电子技术领域，嵌入式系统已成为驱动创新的核心力量。从物联网（IoT）设备的普及到工业自动化、智能交通乃至尖端医疗设备，高性能、高可靠性的嵌入式系统设计能力已成为衡量技术实力的关键标准。本书《高级嵌入式系统设计与实践》旨在为读者提供一个全面、深入且极具实战价值的指南，全面覆盖现代嵌入式系统从概念构建到实际部署的完整生命周期。本书的深度和广度远远超越了基础的微控制器编程范畴。我们专注于那些决定系统性能上限、功耗效率和实时响应能力的关键技术领域。全书共分为五个紧密相连的模块，层层递进，确保读者不仅掌握“如何做”，更能理解“为何如此设计”。 --- 第一模块：深度解析现代微处理器架构与内存管理本模块致力于打破对标准微控制器（MCU）的表层认知，深入剖析高性能嵌入式处理器的内部工作机制。我们不再停留在寄存器操作层面，而是聚焦于复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC-V）的架构对比与选择策略。重点内容包括：流水线、超标量与分支预测机制：详细阐述现代CPU如何通过并行执行指令流来提高吞吐量，并讨论在嵌入式实时系统中如何应对分支预测失误带来的延迟。内存层次结构与缓存一致性：全面解析多级缓存（L1/L2/L3）的设计哲学，重点讨论在多核系统中，缓存一致性协议（如MESI）对数据同步和系统性能的影响，这是开发高性能并发应用的基础。虚拟内存与MMU/MPU应用：深入探讨内存管理单元（MMU）和内存保护单元（MPU）在隔离任务、提升系统安全性和支持复杂操作系统（如Linux）中的关键作用。我们将通过实际案例展示如何配置MPU以实现关键代码段的非缓存或写保护。 DMA（直接内存访问）的深度优化：超越基本的DMA传输配置，本书探讨了Scatter-Gather List的使用，以及如何利用半速/全速总线带宽，最大化数据吞吐量，减少CPU干预。 --- 第二模块：实时操作系统（RTOS）的内核调优与中断管理实时性是嵌入式系统的灵魂。本模块将RTOS的理论知识转化为可操作的性能优化工具。我们假定读者对FreeRTOS或Zephyr等主流RTOS有基本了解，并在此基础上进行深入的内核级探索。关键技术点包括：任务调度算法的精细化控制：深入对比优先级继承、优先级天花板协议（PIP/PCP）在解决优先级反转问题中的优劣，并提供场景化的选择指导。时钟节拍（Tick）与定时器精度：分析时钟节拍对系统抖动（Jitter）的影响。我们将演示如何通过配置高精度定时器（如STM32的高级定时器或Linux内核的HRTIMER）来突破传统RTOS时钟周期的限制，实现微秒级的精确控制。中断服务程序（ISR）的性能瓶颈分析：讲解“长ISR”的危害，并介绍Bottom-Half机制（如Tasklet、Workqueue或RTOS的Deferred Interrupt Handling）的设计模式，确保快速响应外部事件的同时，维持系统的可预测性。内存池（Memory Pool）的高效实现与碎片化管理：探讨在资源受限环境中，如何设计和使用固定大小内存池来避免动态内存分配（malloc/free）可能导致的堆碎片化和时间不确定性。 --- 第三模块：系统级功耗优化与电源域管理在移动设备和电池供电设备日益增多的今天，功耗效率已成为决定产品成败的关键因素。本模块聚焦于硬件与软件协同的功耗管理策略。内容覆盖：动态电压与频率调节（DVFS）的嵌入式实现：阐述CPU、外设总线和存储器在不同工作负载下的最优频率组合。通过实际SoC的电源管理单元（PMU）接口，演示如何根据任务优先级动态调整电压轨。多电源域（Power Domain）的唤醒与时序：对于包含多个独立电源区域的复杂SoC，详细介绍电源门控（Power Gating）策略，以及确保各个电源域在正确时序下同步启动和进入低功耗模式（如Sleep、Deep Sleep或Shutdown）的设计流程。外设功耗的精细化控制：超越简单的禁用，本书探讨了如ADC采样率、SPI/I2C总线时钟的动态调整，以及如何利用外设的低功耗模式（如定时器预分频）来节省电能。固件级别的功耗测量与分析：介绍使用专业功耗分析工具（如电流探针或示波器的高分辨率测量）与固件事件标记相结合的方法，准确定位瞬时高功耗源。 --- 第四模块：高性能数据采集与信号处理嵌入式实现本模块将理论与应用相结合，探讨如何高效地处理来自传感器和外部接口的大量数据流。核心内容包括：高速ADC与流水线数据处理：分析多通道同步采样中，模数转换器的量化噪声、混叠现象，并介绍如何在FPGA或DSP加速器中实现数字滤波（FIR/IIR），将数据预处理集成到数据采集链中。通信总线的高级应用：深入研究CAN-FD的帧格式、仲裁机制及其在工业控制中的可靠性增强特性。同时，讲解Ethernet MAC的TSN（时间敏感网络）概念及其在工业以太网中的应用。嵌入式DSP算法的优化：探讨定点运算与浮点运算的选择，以及如何利用SIMD（单指令多数据）指令集（如ARM NEON）对傅里叶变换、滤波和矩阵运算进行硬件加速，实现实时信号分析。 --- 第五模块：系统级可靠性、安全启动与OTA更新机制现代嵌入式系统必须具备强大的健壮性和远程可维护性。本模块关注嵌入式软件的工程化和生命周期管理。重点议题有：安全启动（Secure Boot）链的构建：详细解析从ROM Code、Bootloader到操作系统内核的信任根（Root of Trust）建立过程，重点讲解公钥加密在验证固件完整性中的应用。固件更新（OTA）的设计与防回滚：设计健壮的A/B分区更新方案，确保更新失败时系统仍可回滚到稳定版本。深入讨论原子性更新与防止恶意降级攻击的机制。系统诊断与故障注入测试：介绍如何设计看门狗定时器（WDT）的“活狗”机制，并探讨使用内存保护和总线错误报告机制来主动捕获和隔离运行时错误。本书的写作风格力求严谨而不失洞察力，通过大量真实的硬件抽象层（HAL）代码示例和性能调优案例，确保读者能够将所学知识直接应用于下一代嵌入式产品的开发中。它不仅是理论的学习资料，更是一本面向资深工程师的实践手册。

作者简介

作者Basso先生是安森美公司法国图卢兹分公司的工程部经理，他在ac-dc和dc-dc开关电源设计领域有独到的研究，是许多PWM控制器的研制者。他研制的NCP120X系列控制器已经成为离线电源的待机功率标准。

目录信息

第1章电源变换器介绍 1
1.1 电路真的需要仿真吗 1
1.2 本书讨论的内容 2
1.3 本书不讨论的内容 3
1.4 用电阻变换电源 3
1.5 用开关变换功率 12
1.6 占空比因子 18
1.7 降压变换器 20
1.8 升压变换器 32
1.9 降压升压变换器 46
1.10 输入滤波 57
1.11 小结 70
附录1A RLC传输函数 71
附录1B 电容等效模型 74
附录1C 电源按拓扑的分类 76
附录1D CCM和DCM开关波形的均
方根值 77
第2章小信号建模 81
2.1 态空间平均（SSA） 83
2.2 PWM开关模式——电压模式 92
2.3 PWM开关模型——电流模式 116
2.4 PWM开关模型——寄生元件效应 142
2.5 在边界导通模式下的PWM模型 150
2.6 PWM开关模型——电路集 160
2.7 其他平均模型 167
2.8 小结 175
附录2A 变换器基本传输函数 176
附录2B 极点、零点和复平面简介 182
附录2C 电压模式DCM升压变换器
小信号分析 185
第3章反馈和控制环 192
3.1 观察点 193
3.2 稳定判据 195
3.3 相位裕度和瞬态响应 197
3.4 交叉频率选择 197
3.5 补偿网络构建 198
3.6 简易稳定性工具——k因子 207
3.7 用TL431实现反馈 224
3.8 光耦合器 238
3.9 运算跨导放大器 244
3.10 分流调节器 248
3.11 应用PSIM和SIMPLIS实现
小信号响应 251
3.12 小结 255
附录3A 自动放置极-零点 256
附录3B TL431 SPICE模型 259
附录3C 放大器类型2手动放
置极-零点 264
附录3D 理解闭环系统中的虚地 266
第4章基本功能块和通用开关模型 270
4.1 用于快速仿真的通用模型 270
4.2 运算放大器 271
4.3 具有给定扇出数的电源 275
4.4 可调无源元件产生的电压 276
4.5 磁滞开关 279
4.6 欠压锁定（UVLO）功能块 281
4.7 前沿消隐 283
4.8 具有磁滞作用的比较器 284
4.9 逻辑门 285
4.10 变压器 287
4.11 非稳态发生器 293
4.12 通用控制器 296
4.13 死区时间的产生 302
4.14 短脉冲发生器 304
4.15 通用模型列表 305
4.16 收敛选项 305
4.17 小结 306
附录4A 磁件设计中所用术语的简要
回顾 306
附录4B 为变压器模型提供物理值 311
第5章非隔离变换器的仿真和设计实践 316
5.1 降压变换器 316
5.2 升压变换器 340
5.3 降压-升压变换器 358
附录5A 工作于非连续工作模式的升压
变换器设计公式 374
第6章离线变换器前端的仿真和设计
实践——前端电路 378
6.1 整流桥 378
6.2 功率因数校正 392
6.3 BCM升压PFC设计 429
6.4 小结 441
附录 6A 二极管和输出电容电流约束：
从不同视角观察 443
附录6B 工作于电压或电流模式控制的
边界导通模式（BCM）变换器
功率校正电路小信号模型 448
第7章反激式变换器仿真和设计实践 457
7.1 隔离降压-升压变换器 457
7.2 无寄生元件条件下的反激式变换器
波形 459
7.3 含寄生元件的反激式变换器波形 461
7.4 准谐振反激变换器 463
7.5 无钳位作用时观察漏极信号 466
7.6 漏极电压偏移钳位 468
7.7 求DCM工作条件下的谷点 472
7.8 钳位网络的设计 474
7.9 双开关反激式变换器 486
7.10 有源钳位 488
7.11 反激式拓扑的小信号响应 495
7.12 反激式变换器的实际考虑 506
7.13 过功率补偿 519
7.14 变换器的待机功率 534
7.15 20 W单输出电源 538
7.16 90 W单输出电源 550
7.17 35 W多输出端电源 564
7.18 反激式变换器元件约束 578
7.19 小结 578
附录7A 通过波形求变压器参数 579
附录7B 应力 581
附录7C 90 W适配器的变压器设计 583
附录7D 工作于准谐振的反激变换器
小信号模型 587
附录7E 含非线性变化寄生电容的
开关损耗 594
附录7F 变压器磁心饱和度测试 596
第8章正激变换器的仿真和实用设计 598
8.1 隔离降压变换器 598
8.2 复位方案1：第3绕组 602
8.3 复位方案2：双开关结构 609
8.4 复位方案3：谐振退磁 613
8.5 复位方案4：RCD钳位 617
8.6 复位方案5：有源钳位 625
8.7 同步整流 641
8.8 多输出正激式变换器 643
8.9 正激变换器的小信号响应 656
8.10 单输出12 V/250 W正激式变换器
设计 666
8.11 正激变换器的元件约束 680
8.12 小结 680
附录8A 应用自举技术的半桥驱动器 681
附录8B 阻抗折算 684
附录8C 250 W适配器的变压器和电感
设计 687
附录8D 工作于电压模式控制的有源钳位
正向变换器小信号模型 694
附录8E 网页内容 713
结语 714
· · · · · · (收起)

读后感

☆☆☆☆☆

用户评价

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这本书的封面设计就给我一种踏实可靠的感觉，配色沉稳，书名醒目，一看就知道是干货满满的专业书籍。我之前在实际工作中就遇到过一些棘手的开关电源问题，比如纹波控制不好，效率提升受限，还有 EMI 辐射超标等等，这些都是非常头疼的设计难题。虽然我平时也查阅了不少技术资料，但总感觉缺少一条清晰的脉络，知识点零散，难以系统地掌握。所以，当看到这本书的标题时，我立刻就产生了浓厚的兴趣。我期待它能从最基础的原理讲起，逐步深入到各种拓扑结构、关键元器件的选择与设计、环路稳定性分析，以及 PCB 布局布线等实操环节。特别希望它能包含一些实际案例分析，比如针对不同应用场景（例如工业控制、消费电子、医疗设备等）的电源设计考量，甚至是故障排除的思路和方法。如果能提供一些仿真软件的使用技巧和经验，那就更完美了，毕竟在实际制作之前进行仿真验证是降低风险、提高效率的重要手段。总而言之，我希望这本书能够成为一本指导我从理论到实践，系统提升开关电源设计能力的宝典。

☆☆☆☆☆

这本书简直就是为我这样还在摸索阶段的工程师量身定做的！我之前对开关电源的了解基本上是零碎的，看过一些零散的文章和教程，但总觉得缺少一种体系。特别是对于如何选择合适的拓扑结构，以及各种拓扑之间的优劣势分析，我一直都很困惑。我希望能在这本书里找到清晰的解答，比如为什么在某些场合下会选择反激式，而在另一些场合下则会选择正激式或LLC拓扑。同时，对于关键器件如 MOSFET、二极管、电感、电容等，我也希望能够有更深入的讲解，不仅仅是参数的说明，更重要的是它们在电路中的作用、如何根据性能要求进行选型，以及一些损耗分析和散热设计方面的考量。现在很多项目都对电源的效率要求非常高，如何在满足其他性能指标的同时，最大化效率，也是我非常关心的问题。这本书如果有关于效率优化设计策略的详细介绍，我会非常欣喜。另外，如果能涉及一些高功率密度、低噪声、高可靠性等特殊设计要求下的解决方案，那就更能满足我的实际项目需求了。

☆☆☆☆☆

我对这本书的期待，更多的是希望它能帮助我理解开关电源设计背后的“道”与“术”。我虽然能照猫画虎地做出一些简单的电源，但对于其内在的物理机制和设计逻辑，总感觉有些模糊。比如，为什么不同的元器件组合会产生不同的性能表现？如何才能在满足规格要求的前提下，设计出成本最优、体积最小、发热最低的电源？这本书如果能深入浅出地讲解这些根本性的问题，并且提供一些启发性的思考方式，那将非常有价值。我特别希望能看到关于如何进行功率变换效率优化、如何设计紧凑型电源以及如何考虑电源的长期可靠性方面的章节。在实际工作中，经常会遇到一些需要突破常规的设计难题，这时候如果能有这本书作为参考，让我能够从更深层次理解问题，并找到创新的解决方案，那将是莫大的福音。

☆☆☆☆☆

我是一名初学者，之前接触开关电源时，感觉像是在黑暗中摸索。这本书的书名给了我很大的信心，我希望它能从最基础的概念开始，循序渐进地引导我入门。我希望书中能有清晰的原理讲解，比如各种基本电路拓扑的工作原理，以及电感、电容、二极管、三极管等基本元器件在开关电源中的作用。我期待能够理解如何计算这些元器件的参数，以及如何选择合适的元器件来满足设计要求。此外，对于开关电源的性能指标，比如效率、纹波、稳态精度、动态响应等，我也希望能有详细的解释，以及如何通过设计来改善这些指标。如果书中能提供一些简单的实例，并且带有详细的计算过程和仿真波形，那将对我这样的新手非常有帮助。我希望通过阅读这本书，能够建立起对开关电源设计的初步认知，并为日后的深入学习打下坚实的基础。

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这本书的出现，无疑为我解决了一个长久以来的设计瓶颈。我之前在做项目时，常常会被一个问题困扰：设计出来的开关电源在某些工作条件下会出现不稳定的情况，比如输出电压跳变、甚至保护电路误触发。这让我非常头疼，因为调试起来费时费力，而且不稳定的电源会严重影响整个系统的可靠性。我急切地希望这本书能够提供一套系统性的方法来分析和解决这些稳定性问题，比如关于环路补偿的详细理论和实践指导，以及如何通过仿真工具来预测和验证环路的稳定性。此外，电源的电磁兼容性（EMC）也是一个越来越重要的问题，特别是现在对产品的 EMI/EMC 要求越来越严格。我希望这本书能在这方面提供一些实用的指导，比如如何通过 PCB 布局、屏蔽、滤波等手段来降低 EMI 辐射，以及如何应对常见的 EMC 测试问题。当然，如果书中能提供一些经典开关电源的实用设计案例，并且深入剖析这些案例的设计思路和优缺点，那将是极大的帮助。

☆☆☆☆☆

好好的一本书，被垃圾翻译给毁了。

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