硬件十万个为什么（电源是怎样炼成的）中国电子学会电子信息人才系列教材

中国电子学会“电子信息人才能力提升工程”系列教材。

从线性电源到开关电源，全面了解电源发展。

从元件分解到基础拓扑，深入理解电源组成。

从问题出发到问题处理，有效助力工程师成长。

从理论设计到仿真优化，一站式进阶电源设计！

本书聚焦于DC/DC电源领域，涵盖了国产化芯片的应用范例。全书分为四个部分，每个部分都深入探讨了电源领 域的关键主题。首先，从电源的概念出发，介绍了稳压电源的发展历史、电源的分类及各种线性电源的基本原理；其次，详细讲解了开关电源的各种拓扑结构，深入研究了基本原理与设计；然后，通过数学基础讲解、电路分析，详细讨论了闭环稳定性评判标准和环路补偿电路的应用；最后，结合实际设计过程探讨了电源的工程问题，包含有关电源完整性、DC/ DC的EMI优化及电源的测试和新技术的内容。
本书从基础知识到高级技术，不仅详细介绍了电源技术的理论知识，还结合实例分析，帮助读者深入理解电源设计 的方法，为实际工程应用提供了全面而深入的指导。
通过这本书，硬件工程师可以系统地学习和理解DC/DC电源的各个方面，并能应用到实际中工程、自动化控制等相关专业的师生及工程技术人员阅读 。本书非常适合电子，无论是电源技术的初学者还是专业人士，都能从中获得宝贵的知识和经验。

王玉皞
----------------------------
博士，二级教授，博士生导师，IET Fellow，IEEE Senior Member，中国通信学会高级会员，教育部首批创新创业导师，“井冈学者”特聘教授，江西省百千万人才工程入选者，上饶师范学院党委副书记，江西省应用光学技术重点实验室主任。

朱晓明
----------------------------
“硬件十万个为什么”创始人，拥有约20万硬件工程师粉丝。曾任华为硬件经理、维护经理、产品经理、产品规划师、系统设计师。有近25年硬件研发经历，参与设计及维护的硬件产品种类非常丰富，包括海军装备、电信设备硬件平台、监控安防、服务器、智能终端等。

谢建宇
----------------------------
浙江大学硕士，电力电子研究方向。十多年设计及技术支持从业经验。原MPS汽车电子FAE经理，杰华特微电子股份有限公司市场总监，擅长DC/DC的原理和应用，以及EMC优化。

郜俊
----------------------------
浙江大学硕士，电力电子研究方向。公众号“电源漫谈”的创立者，半导体公司电源及宽禁带器件专家级应用工程师，电源网电子星球号优质创作者，主要方向是模拟电源基础、MCU设计基础、嵌入式设计应用、数字电源控制理论及设计、宽禁带半导体应用等方向。

蒋修国
----------------------------
是德科技（中国）有限公司大中华区技术支持经理，拥有10年以上高速产品设计经验。擅长高速数字电路的信号完整性和电源完整性仿真、设计和测试。“信号完整性”微信公众号创始人。

罗雨桑
----------------------------
圣邦微电子股份有限公司电源产品线应用工程师。从事电源IC评估验证、数字电源系统研发等工作。擅长开发软硬件工具以改进研发方法，提升电源芯片研发效率。

付世勇
----------------------------
“硬件十万个为什么”技术总监，曾任华为硬件系统工程师，PoE技术领域专家，作为IEEE委员全程参与了IEEE802.3bt标准（大功率PoE标准）的制定。拥有二十多项中国发明专利，七项美国发明专利。

冯美文
----------------------------
就职于杭州硬十科技有限公司，任硬件经理。主导开发国产化芯片无人机解决方案。擅长无人机电源解决方案及AI系统电源解决方案。

第一部分 基础知识
第1章 电源的概念
1.1 稳压电源的发展历史
1.2 电源的分类
1.2.1 按照电压转换类型分类
1.2.2 按照转换原理进行分类
1.3 开关电源按是否隔离进行分类
1.4 开关电源的调制方式
1.5 开关电源的CCM、DCM、BCM模式
1.6 同步与非同步电源
1.7 电源芯片规格书要点
1.8 有效电流的概念
1.9 有效电流的计算
第2章 电源电路的基本元器件
2.1 电阻在电源电路中的应用
2.2 电容在电源电路中的应用
2.3 电感在电源电路中的应用
2.4 MOSFET在开关电源中的应用
2.4.1 开关管为什么选MOSFET而非三极管
2.4.2 MOSFET的关键参数
2.4.3 MOSFET打开和闭合的过程
2.4.4 为什么选择增强型MOSFET做开关管
2.4.5 MOSFET的寄生体二极管
2.4.6 MOSFET的SOA的具体分析
2.5 变压器在电源电路中的应用
第3章 线性电源的原理与设计
3.1 线性调整器的工作原理
3.2 线性电源的实现方式
3.3 线性电源输出电容与输入电容
3.4 线性电源的关键参数
3.5 低压差线性稳压器
第二部分 开关电源的拓扑结构
第4章 各类电源拓扑的基本原理
4.1 开关电源的三个基本拓扑
4.2 开关电源的各种拓扑结构之间的关系
4.3 开关电源的各种拓扑的特性对比及选择
第5章 Buck电路的原理与设计
5.1 Buck电路的工作过程
5.2 Buck电路的输出电感
5.3 Buck电路的输入电容
5.4 Buck电路的输入电感
5.5 Buck电路的输出电容
5.6 Buck电路的Boot电容(自举电容)
5.7 Buck电路的输出电流检测
5.8 Buck电路的效率与损耗
5.9 Buck电路的多相拓扑设计
第6章 Boost电路的原理与设计
6.1 Boost电路的工作过程
6.2 Boost电路的电感选型
6.3 Boost电路的CCM模式与DCM模式
6.4 Boost变换器的二极管
6.5 Boost变换器的输入电容
6.6 Boost变换器的输出电容
第7章 反极性Buck-Boost电路的原理与设计
7.1 反极性Buck-Boost电路的工作过程
7.2 反极性Buck-Boost电路的电感选型
7.3 反极性Buck-Boost电路的输出电容选型
7.4 反极性Buck-Boost的CCM模式和DCM模式
7.5 反极性Buck-Boost的MOSFET和二极管选型
第8章 其他非隔离拓扑的原理与设计
8.1 Cuk 电源工作原理
8.2 Zeta电源工作原理
8.3 SEPIC电源工作原理
8.4 四开关Buck-Boost电源原理及工作过程解析
第9章 隔离DC/DC电源的原理与设计
9.1 为什么需要隔离电源
9.2 “正激”和“反激”
9.3 反激隔离式开关电源的工作过程
9.4 反激式开关电源的反馈
9.5 反激式开关电源的变压器基本原理
9.6 反激式开关电源的变压器的关键参数
9.6.1 什么是磁畴
9.6.2 磁芯的材料
9.6.3 什么是气隙
9.6.4 什么是漏感
第三部分 开关电源的控制器和控制理论
第10章 环路控制的数学基础
10.1 开关电源环路的基本概念
10.2 傅里叶级数概述
10.3 从傅里叶级数到傅里叶变换
10.4 从傅里叶变换到拉普拉斯变换
10.5 传递函数与波特图
10.6 零点和极点
10.7 拉普拉斯变换的收敛域
第11章 环路控制的电路分析
11.1 电容基础特性探讨
11.2 RC滤波电路的频域和时域特性探讨
11.3 典型LC滤波器的频域分析
11.4 单极点系统的频域分析
11.5 积分器的频域分析
11.6 闭环稳定性的评判标准
11.7 环路补偿电路
11.8 线性电源的环路分析
第12章 电源控制器
12.1 开关电源为什么需要控制系统
12.2 开关电源控制为什么比想象中复杂
12.3 如何理解功率级
12.4 为什么误差放大器会影响系统的响应速度
12.5 定频控制
12.6 变频控制
第四部分 电源的工程问题
第13章 电源完整性
13.1 电源完整性基础
13.1.1 什么是电源完整性
13.1.2 电源分配网络
13.1.3 目标阻抗
13.2 ADS 电源完整性仿真流程
13.3 电源完整性直流仿真分析
13.3.1 建立直流仿真
13.3.2 选择电源网络并确定参数
13.3.3 分离元件参数设置
13.3.4 供电端VRM设置
13.3.5 用电端Sink设置
13.3.6 设置Options
13.3.7 运行仿真及查看仿真结果
13.4 电源完整性电热仿真
13.4.1 建立电热仿真分析
13.4.2 热模型设置
13.4.3 设置Options
13.4.4 运行仿真及查看仿真结果
13.5 电源完整性交流分析
13.5.1 VRM、Sink设置
13.5.2 电容模型设置
13.5.3 仿真频率和Options设置
13.5.4 运行仿真并查看仿真结果
13.5.5 产生原理图和子电路
13.5.6 优化仿真结果
第14章 DC/DC的EMI优化
14.1 电磁兼容的概念
14.2 dB、dBm、dBμV
14.3 EMI的要求和规范
14.4 噪声的频谱
14.5 传导和辐射发射噪声及其测量
14.6 传导共模和差模噪声
14.7 辐射发射测试
14.8 近场和远场
14.9 噪声源的抑制
14.9.1 抑制高频电流环路引起的噪声源
14.9.2 抑制高频开关节点引起的噪声源
14.9.3 通过扩频抑制噪声源
第15章 电源的测试
15.1 DC/DC电源测试技巧
15.2 电源测试主要项目
15.3 电源效率测试
15.4 纹波和噪声测试
15.4.1 电源纹波和电源噪声的定义
15.4.2 如何提高芯片噪声测量的准确性
15.4.3 电源噪声和纹波的测试工具
15.4.4 地线的处理
15.5 开机和保护测试
15.6 电源稳定性测试
15.7 电源动态响应测试
15.8 电源环路稳定性测试
第16章 电源新技术
16.1 PoE技术
16.2 USB供电技术
16.3 PMIC技术
16.4 数字电源技术

电能可以高效地转化为热能、动能、声能和光能，也可以很方便地转化为信息（信息熵），这是当今社会应用最广泛的能量形式之一。

富兰克林的风筝让人类认识到闪电所蕴含的能量，第二次工业革命让人类真正找到利用电能的方法。以今天的视角回看，使用以工频变压器、旋转变流机和汞弧整流器为代表的电力设备对电能进行粗糙的变换，标志着人类驯服电能的开始。随着信息技术和控制理论的快速发展，电力电子技术应运而生，人类找到了通往精细电能变换的途径。第三次工业革命中，电子信息产业爆发式增长，为各类电源系统提供了广阔市场。进入21世纪后，随着AI、移动互联网、可穿戴设备、新能源等技术的蓬勃涌现，人们对电能质量的要求一再提高。例如，服务器的 CPU 供电系统需要在输出数百安培电流的同时保证mV级的动态稳压精度，以确保系统稳定运行；高端CMOS图像传感器依赖nV级的超低噪声供电以确保图像质量；智能手表依赖超低静态功耗的小体积电源以确保长期续航；风光电及储能系统依赖MPPT、动态均衡等控制算法以确保安全高效。

如今，对于刚入行的电子工程师来说，不论是简单的小电流稳压还是较为复杂的电池充放电及保护，在性能要求不高的情况下都可以基于现成的电源芯片快速实现。然而要设计出适配更复杂应用场景、满足更高性能指标的电源系统，需要综合考虑输入输出范围、噪声、效率、速率、精度、体积等因素，要求工程师在拓扑选择、器件选型、布局布线等环节下足功夫，依赖工程师扎实的理论基础和丰富的实践经验。

我和晓明在五年前规划好了“硬件十万个为什么”系列，《硬件十万个为什么（开发流程篇）》是为工程师未来发展提供系统化和规范性非技术能力的理念指引，《硬件十万个为什么（无源器件篇）》更是“从物理中来，到工程中去”，帮助电子工程师在器件认知和应用内容重构方面从理论走向实践，再从实践回归理论；《硬件十万个为什么（电源是怎样炼成的）》汇聚了国内外大厂的电源工程师，在业内优秀电源产品中提炼出了理论方法和应用案例，编成此书，以作为当下“新工科”教育的补充。这能帮助EE方向的学生快速走出课本与试题，成长为能理解需求、设计产品的电源工程师。很高兴，本书的创新知识贡献中还有我曾经指导的本科生和研究生，他们已经快速成长为这个行业领域的中坚力量。

本书着重研究DC恒压输出的电源系统，对其他类型的电源系统也有涉及。本书第一部分介绍了电源系统的概念和历史，对电源系统进行分类，并以应用工程师的视角带领读者理解一例电源 IC规 格书。同时介绍了开关电源系统中常见的元器件及它们的关键参数。之后介绍了线性电源原理和基本设计方法。第二部分以开关电源三种基本拓扑为切入点，拓展出一系列不同类型的电路拓扑。第三部分着重介绍了现代开关电源的反馈控制方法，力求让没有控制论知识背景的读者理解开关电源的控制原理。第四部分介绍电源完整性理论，并聚焦开关电源系统应用中的实际工程问题，如散热、电磁兼容、性能测试细节等。

综上，本书从行业需求出发，立足于具体产品和实际应用，为在校学生提供了入门指导，也为电源工程师提供了成长阶梯。