DC-DC变换电路原理及应用入门 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2024

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本书作者从事多年电子电路等方面的教学和科研工作，积累了丰富的教学和科研经验，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，从原理到应用进行入门性质的讲解。

本书有理论介绍、选型与设计、应用实例、PCB布局布线，从多方面介绍了DC-DC变换电路。

本书语言简洁、准确、易懂，描述清晰，可作为选修课程的教材，也可以作为有兴趣学生的课外读物。

本书帮助DC-DC变换电路设计初学者快速入门，并使其深入体会DC-DC电路设计的乐趣。

内容简介

目录

第1章DC�睤C变换电路及其分类

1.1DC�睤C变换电路在电子设备方面的需求

1.2DC�睤C变换电路的主要性能指标

1.3DC�睤C变换电路的发展和分类

1.4动手实验

第2章线性稳压器

2.1线性稳压器的产生和发展

2.2线性稳压器的基本组成及工作特点

2.3线性稳压器的基本实现电路

2.3.1基本实现电路

2.3.2性能仿真

2.3.3性能测试

2.4线性稳压器产品实例

2.4.1获取产品数据手册

2.4.2TPS79533概况

2.4.3TPS79533的内部结构

2.4.4TPS79533的性能指标

2.4.5TPS79533的使用方法

2.4.6实际电路制作和测试

2.5线性稳压器的应用

2.6动手实验

第3章开关稳压器

3.1开关稳压器的产生和发展

3.2Buck开关稳压器的基本组成及工作特点

3.3Buck开关稳压器的基本实现电路

3.3.1基本实现电路

3.3.2性能仿真

3.3.3电路中各点的波形

3.4Buck和Boost开关稳压器产品实例

3.4.1TPS62290

3.4.2TPS61500

3.5开关稳压器的应用

3.6动手实验

第4章选型与设计

4.1概述

4.2TI电源管理产品线

4.3选型指南

4.4WEBENCH设计工具

4.4.1WEBENCH设计工具的启动

4.4.2基于LDO的Buck稳压器设计

4.4.3基于开关稳压器的Buck电路设计

4.5设计和实现中的几个问题

4.5.1环路稳定性问题

4.5.2元器件的正确选型

4.6动手实验

第5章应用实例

5.1概述

5.2FPGA供电电路

5.2.1电源管理需求

5.2.2电源管理芯片的选择

5.2.3外围电路的设计

5.2.4FPGA供电电路的实现

5.2.5WEBENCH中的FPGA电源辅助设计

5.3LED照明供电电路

5.3.1电源管理需求

5.3.2电源管理芯片的选择

5.3.3外围电路的设计

5.3.4LED供电电路的实现

5.3.5WEBENCH中的LED电源辅助设计

5.4基于FPGA的综合电子实验平台供电系统

5.4.1实验平台开发背景

5.4.2电源管理需求

5.4.3电源管理芯片的选择

5.4.4外围电路的设计

5.4.5电源管理模块的实现

5.4.6WEBENCH中的多路电源辅助设计

5.5动手实验

第6章开关稳压器电路的PCB布局布线

6.1概述

6.2PCB中的电流分布

6.3高di/dt环路的PCB设计

6.4接地问题

6.5元件的布局布线

6.6TPS40210布局布线实例分析

参考文献

前言/序言

几乎所有的电子产品的制作都离不开直流（DC）电源。

在TI公司电源技术会议和TI 教育者年会上，许多高校的一线教师共同就电源教学展开深入讨论。很多老师认为目前电源方面的教学存在缺失，开展相关的教材和课程建设是非常有必要的。

在高等学校电子信息大类基础课程教学中，模拟电子技术相关课程对直流电源的基本原理和相关概念进行了初步介绍； 之后，学生利用业界最新的产品进行DC�睤C变换电路设计。这中间存在一条鸿沟。

电源是电子技术中比较难的一个分支。通过和一些学生进行交流发现，大部分学生可以基本上理解模拟电子技术教材中关于直流电源的内容，但是去阅读相关的电源产品手册或电源方面的专业书籍时却看不懂。而之后学生在进行实际的电源电路制作时，往往只是一知半解地照猫画虎，照搬现成的设计，而不知其所以然。

本书尝试前承模拟电子技术课程中介绍的直流电源基础知识，结合TI公司的电源管理芯片和WEBENCH仿真工具，对DC�睤C变换电路的原理和应用进行入门性质的、深入浅出的阐述。

TI公司将电源方面的教学支持列为2015年大学计划的重点。本书既可作为电源类选修课程的教材，也可作为学生进行电源制作的入门读物。

电子设备对DC�睤C变换电路的一个基本需求是在输入电压有波动和输出端负载有变化的情况下，为其内部各模块电路提供稳定的直流电源供电。本书分别对线性稳压器和开关稳压器电路及其工作原理进行介绍，并结合WEBENCH设计工具介绍基于TI电源管理产品线的选型和设计。最后结合作者的产品开发经历介绍三个实际的应用实例，并对开关稳压器电路的布局布线进行介绍。

全书共分为6章，每章最后一部分设有动手实验内容。第1章到第5章的内容由清华大学自动化系任艳频编写，第6章的内容由TI电源工程师编写。清华大学自动化系2008级本科生涂光炜同学基于TI的电源管理芯片制作了大量实验板，并进行性能测试和比较。清华大学自动化系2011级本科生李奇、宫崎、刘金祥和龚远峰同学阅读了TI的多款电源管理产品数据手册，并对WEBENCH仿真设计工具进行了试用。

各章内容简要介绍如下：

第1章DC�睤C变换电路及其分类

对DC�睤C变换电路的一个基本需求是在输入电压有波动和输出端负载有变化的情况下，为电子设备各模块电路提供稳定的直流电源供电。

衡量DC�睤C变换电路性能的主要指标包括稳压系数或电源电压调节率、输出电阻或负载调节率、输出纹波或电源纹波抑制比、环路稳定性、瞬态响应、效率等。在电源理论和应用的学习中，了解主要性能指标及其测试方法是非常重要的一环。

目前主要使用两大类DC�睤C变换电路： 线性稳压器（Linear Regulator）和开关稳压器（Switching Regulator）。线性稳压器和开关稳压器的主要区别在于： 线性稳压器，从输入到输出，能量的传输是连续不断的； 而开关稳压器，从输入到输出，能量的传递是间歇式的，间歇式的脉冲能量到达输出端后再进行平稳的释放。

第2章线性稳压器

线性稳压器在稳压管稳压电路的基础上发展而来。线性稳压器的基本组成包括调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路四个部分。

为了加深对线性稳压器基本实现原理的理解，本章首先基于分立元件搭建了一个线性稳压器基本实现电路，并利用Multisim对其主要性能进行仿真，同时进行实际测试。接着，以TI的线性稳压器芯片TPS79533为例，对其数据手册获取方法、内部电路结构、性能指标、使用方法、应用电路的制作和测试进行介绍。在介绍电路结构时，与前面的线性稳压器基本实现电路进行了对比，以加深理解，并通过解读芯片内部结构和仿真波形，加深对基本概念的了解。

第3章开关稳压器

开关稳压器与线性稳压器最大的不同是调整管工作在开关状态，能量以间歇式的脉冲形式从输入端传递到输出端。当调整管处于断开状态时，调整管工作于截止区，电阻很大，流过的电流很小； 当调整管处于闭合状态时，调整管工作于饱和区，饱和压降很小。于是在这两种状态下，调整管的功耗都较小，所以开关稳压器通常可以达到比较高的效率。

本章首先介绍实现脉冲式能量传递的开关稳压器模型及其工作原理。开关稳压器的种类纷繁复杂，比如按输入电压和输出电压的关系来分，有Buck降压稳压器、Boost升压稳压器和Buck�睟oost升�步笛刮妊蛊鳎� 从开关控制方式来分，有PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制和PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）； 从反馈控制方式来分，有电压控制方式和电流控制方式。本章在内容上不求全，以Buck稳压器为重点开展系统介绍，同时结合具体的例子对一些重要的概念加以说明，以求突出重点，以点带面。

Buck稳压器的基本组成包括调整管、开关控制电路、采样电路、基准电压电路、比较放大电路和LC滤波电路六个部分。和第2章的结构类似，先基于分立元件搭建了一个简单的开关稳压器基本实现电路，并利用Multisim对其主要性能进行仿真，同时进行实际测试，并观测电路中各点的波形。接着，以TI的Buck开关稳压器芯片TPS62290和Boost开关稳压器芯片TPS61500为例，对其内部电路结构、性能指标、使用方法和典型应用电路进行介绍。

第4章选型与设计

在实际应用中，如何从纷繁复杂的产品中选择合适的芯片进行自己的DC�睤C变换电路的设计呢？

本章首先对TI的电源管理产品线进行梳理； 然后对DC�睤C变换电路在线设计仿真工具WEBENCH的使用方法进行详细介绍。通过基于LDO的Buck稳压器设计和基于开关稳压器的Buck电路设计示例，对WEBENCH的启动方法、电源管理芯片选择、外围电路设计、电路性能的仿真等进行描述。

本章还对DC�睤C变换电路设计和实现中的环路稳定性问题进行了理论分析，并利用WEBENCH的波特图仿真功能进行补充说明。分别基于线性稳压器和开关稳压器的结构分析了环路增益的频率响应特性，并给出增强环路稳定的方法。

在本章的最后，对DC�睤C变换电路设计和实现中存在的元器件正确选型问题进行了简要介绍。

第5章应用实例

本章结合三个实际的例子，对其中电源部分的解决方案进行介绍。第一个例子是FPGA供电电路，第二个例子是LED照明供电电路，第三个例子是基于FPGA的综合电子实验平台的整体电源解决方案。

结合三个例子，分别介绍了WEBENCH中针对FPGA电源、LED电源和多路电源进行辅助设计的功能。

第6章开关稳压器电路的PCB布局布线

PCB布局布线的好坏将直接影响DC�睤C变换电路的性能，特别是基于开关稳压器的DC�睤C变换电路的性能。

本章讨论了PCB中的电流分布、高di/dt环路的PCB设计、接地问题及元器件的布局布线问题，并结合一个实例进行分析。

TI在电源管理方面的产品线是非常丰富的，基本上覆盖了线性稳压器和开关稳压器的大部分产品。在产品种类上，既有通用部件，又有针对特定应用（如LED照明）的专用解决方案，同时也涉及数字电源、无线充电等最新领域。TI为这些电源管理芯片的样片申请提供了快速便捷的通道，为DC�睤C变换电路的设计和制作提供了有力的支持。

WEBENCH是一款非常优秀的在线设计仿真工具，无须在客户端安装仿真软件，甚至还可以将自己的设计保存在服务器上，这样方便使用者随时随地进行设计和仿真。利用WEBENCH，可以在搭建实际电路前对电路的性能有更多的了解，并初步完成器件的选取和电路参数的设计； 同时，还可以让初学者快速启动自己的DC�睤C变换电路设计，并在WEBENCH环境中进行直观验证。

电源方面的知识是一个浩瀚的海洋，本书所及只是DC�睤C变换电路的冰山一角。书中的论述和示例，一定还存在诸多不足之处，在此恳请各位读者批评指正。

编者2015年6月于北京