繁體網頁||簡體網頁

☆☆☆☆☆

盧卡·科拉迪尼 著

圖書標籤:

• 開關電源
• 高頻變換器
• 數字控製
• 環路設計
• 模擬電路
• 電源電路
• 開關變換器
• 控製技術
• 教程
• 電力電子

店鋪： 義博圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111576051

商品編碼：19981406541

預計2017-11-25左右到貨

 

高頻開關變換器的數字控製

定價：￥89.00

作者：意］盧卡·科拉迪尼

I S B N ：978-7-111-57605-1條碼書號：9787111576051上架日期：2017/11/13齣版日期：2017/11/1版       次：1-1齣 版 社：機械工業齣版社叢 書 名： 電子科學與工程係列圖書

《高頻開關變換器的數字控製》全麵地介紹瞭開關功率變換器的數字控製。 第1章簡介瞭開關變換器連續時間域經典的平均狀態建模方法。第2章介紹瞭數字控製的基本結構。第3章介紹瞭開關變換器離散域直接建模的方法並得到z域的小信號動態模型。在此基礎上，第4章介紹瞭如何直接設計數字補償器。第5章介紹瞭模/數(A/D)轉換器的幅度量化誤差和數字脈衝寬度調製器（DPWM）。第6章介紹瞭數字補償器的實現。後,第7章介紹瞭整定技術。

《高頻開關變換器的數字控製》可為從事電力電子或數字控製的相關研究和應用的工程技術人員提供參考，也可作為高等院校相關專業學生的研究生教材使用。

目錄

譯者序

原書前言

導論1

第1章DC-DC變換器的連續平均建模9

1.1PWM變換器9

1.2變換器的穩態11

1.2.1升壓變換器舉例12

1.2.2開關紋波估計13

1.2.3基本變換器的電壓轉換比14

1.3變換器的動態和控製15

1.3.1變換器的平均和綫性化16

1.3.2脈衝寬度調製器的建模18

1.3.3係統環路增益19

1.3.4基本變換器的平均小信號建模20

1.4狀態空間平均法21

1.4.1變換器的靜態工作點21

1.4.2平均小信號狀態方程模型22

1.4.3升壓變換器舉例23

1.5設計實例24

1.5.1電壓模式控製的同步降壓變換器25

1.5.2平均電流模式控製的升壓變換器32

1.6占空比d［k］和d(t)36

1.7要點總結37

第2章數字控製環路38

2.1實例學習：電壓模式的數字控製38

2.2A/D轉換39

2.2.1抽樣速率39

2.2.2幅值量化42

2.3A/D轉換數字補償器43

2.4數字PWM（DPWM）46

2.5環路中的延遲48

2.5.1控製延遲48

2.5.2調製延遲49

2.5.3整個環路延遲51

2.6數字控製設計中使用平均模型52

2.6.1平均模型的局限性52

2.6.2數字控製的變換器的平均模型54

2.7要點總結57

第3章離散時間建模58

3.1離散時間小信號建模58

3.1.1入門實例：開關電感60

3.1.2一般情況63

3.1.3用於PWM的基本類型的離散時間模型64

3.2離散時間模型實例66

3.2.1同步降壓變換器66

3.2.2升壓變換器72

3.3時不變拓撲的離散時間建模76

3.3.1離散時間建模的等價性78

3.3.2與修正Z變換的關係80

3.3.3Tu(z)的計算80

3.3.4降壓變換器實例83

3.4基本Matlab的變換器的離散時間建模83

3.5要點總結87

第4章數字控製88

4.1係統級補償器的設計88

4.1.1采用雙綫性變換法直接設計89

4.1.2在z域和p域的數字PID補償器91

4.2設計例程94

4.2.1電壓控製模式時同步降壓變換器的數字控製94

4.2.2電流控製模式時升壓變換器的數字控製100

4.2.3多環控製模式時同步降壓變換器的數字控製102

4.2.4升壓功率因數校正器105

4.3變換器的其他傳遞函數117

4.4驅動器飽和與積分抗飽和措施120

4.5要點總結124

第5章幅值量化126

5.1係統量化126

5.1.1A/D轉換器127

5.1.2DPWM量化128

5.2穩態時的解129

5.3無極限環的條件131

5.3.1DPWM與A/D分辨率132

5.3.2積分增益134

5.3.3動態量化效應136

5.4DPWM和A/D轉換器實現技術137

5.4.1DPWM硬件實現技術137

5.4.2通過Σ-Δ調製有效改進DPWM的分辨率141

5.4.3A/D轉換器142

5.5要點總結143

第6章補償器的實現144

6.1PID補償器的實現146

6.2係數的縮放和量化148

6.2.1係數的縮放149

6.2.2係數的量化151

6.3電壓控製模式實例：係數量化153

6.3.1並聯結構154

6.3.2直接結構156

6.3.3級聯結構157

6.4定點控製器的實現161

6.4.1有效的動態範圍和硬件的動態範圍162

6.4.2信號的上限和L1範數163

6.5電壓控製模式實例：定點實現164

6.5.1並聯實現166

6.5.2直接實現169

6.5.3級聯實現171

6.5.4綫性係統和量化後的係統響應對比174

6.6控製器的HDL實現175

6.6.1VHDL實例175

6.6.2Verilog實例178

6.7要點總結179

第7章數字控製的自整定180

7.1自整定技術簡介180

7.2可編程的PID結構181

7.3通過注入數字擾動信號實現自整定184

7.3.1工作原理185

7.3.2PD自整定的實現188

7.3.3仿真實例190

7.3.4PD自整定環路的小信號分析192

7.4基於繼電器反饋的數字自整定197

7.4.1工作原理198

7.4.2數字式繼電器反饋的實現199

7.4.3仿真實例202

7.5實現問題203

7.6要點總結204

附錄205

附錄A離散時間綫性係統和Z變換205

A.1差分方程205

A.1.1強迫響應206

A.1.2自由響應207

A.1.3脈衝響應和係統的模208

A.1.4模的漸進特性209

A.1.5更多實例209

A.2Z變換210

A.2.1定義210

A.2.2性質210

A.3傳遞函數212

A.3.1穩定性212

A.3.2頻率響應212

A.4狀態空間錶達式213

附錄B定點算法和HDL編碼214

B.1截斷操作和截斷誤差214

B.2浮點和定點算術係統215

B.3二進製補碼（B2C）的定點錶示216

B.4信號錶示218

B.5B2C數的操作以及HDL實例219

B.5.1符號擴展219

B.5.2對齊220

B.5.3符號取反221

B.5.4LSB和MSB截斷222

B.5.5加法和減法223

B.5.6乘法225

B.5.7溢齣檢測和飽和運算225

附錄C規則采樣脈衝寬度調製器的小信號相位滯後230

C.1後沿調製器231

C.2前沿調製器234

C.3對稱調製器234

參考文獻236

。。。。。。。。。。

精密電力之脈動：探索高頻開關電源的核心奧秘 在現代電子技術的浩瀚圖景中，電力轉換扮演著不可或缺的基石角色。從微小的芯片到龐大的數據中心，高效、穩定的電力供應是其賴以生存的命脈。而開關電源（SMPS），憑藉其卓越的效率和緊湊的體積，已然成為這場電力革命的核心驅動力。本書並非深入探討某本特定書籍的細枝末節，而是旨在為廣大電子工程師、技術愛好者以及相關專業學生提供一個全麵、係統、深入的視角，去理解和掌握現代高頻開關變換器環路設計這一關鍵領域。我們將撥開迷霧，層層剝繭，從基本原理齣發，一路攀升至復雜的設計技巧，力求讓讀者能夠真正理解並駕馭這一強大的技術。 第一章：開關變換器的基本原理與拓撲結構 在深入環路設計之前，紮實的基礎是不可或缺的。本章將帶領讀者迴顧開關變換器的基本工作原理，深入剖析其核心要素：開關器件的瞬時導通與關斷如何實現電壓、電流的轉換。我們將詳細介紹幾種最經典、最常用的開關變換器拓撲結構，包括： 降壓變換器（Buck Converter）： 它是最基礎也是應用最廣泛的拓撲之一，用於將輸入電壓降低到期望的輸齣電壓。我們將分析其工作模式（ CCM 和 DCM ），理解電感、電容和開關器件在能量存儲與釋放中的作用。 升壓變換器（Boost Converter）： 顧名思義，它能將輸入電壓升高。我們將探討其工作原理，以及在何種場景下選擇升壓變換器。 升降壓變換器（Buck-Boost Converter）： 這種拓撲能夠輸齣比輸入電壓更高或更低的電壓，其輸齣極性與輸入相反。我們將解析其工作特性和應用。 SEPIC（Single-Ended Primary-Inductor Converter）和 Cuk 變換器： 這些更復雜的拓撲在特定應用中具有獨特的優勢，例如隔離或負輸齣電壓。我們將簡要介紹它們的工作原理和適用場景。 通過對這些基本拓撲的學習，讀者將建立起對開關變換器“黑盒子”運作方式的初步認識，為後續的環路設計打下堅實的基礎。 第二章：數字控製的崛起與優勢 數字控製並非新鮮事物，但其在高頻開關變換器領域的應用，正以前所未有的速度改變著行業格局。本章將重點闡述數字控製的引入所帶來的變革： 傳統模擬控製的局限性： 我們將簡要迴顧模擬控製（如 PID 控製器）的原理、優點和明顯的局限性，例如參數漂移、設計復雜性、功能擴展睏難等。 數字控製的核心優勢： 深入分析數字控製在高頻開關變換器設計中的核心價值： 靈活性與可編程性： 通過軟件算法，可以輕鬆實現復雜的控製策略，調整環路參數，甚至在運行時動態改變控製行為，而無需更改硬件。 集成度高： 利用微控製器（MCU）或數字信號處理器（DSP），可以集成多種功能，如保護、監控、通信等，大大簡化瞭係統設計。 精度與穩定性： 數字控製消除瞭模擬器件的溫漂和參數偏差，能夠實現更高的控製精度和更穩定的性能。 智能化與優化： 為實現更高級的功能，如自適應控製、效率優化、故障診斷等提供瞭可能。 成本效益： 隨著數字技術的發展，數字控製方案的成本正逐漸降低，甚至在某些情況下優於復雜的模擬設計。 第三章：數字控製環路設計的關鍵組件與理論基礎 進入數字控製的實際設計領域，理解其關鍵組件和理論基礎至關重要。本章將深入剖析： 采樣理論（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）： 這是數字控製的基石。我們將詳細解釋采樣頻率、混疊（Aliasing）等概念，以及它們對開關變換器環路穩定性和動態響應的影響。 數字控製器（Digital Controller）： 介紹數字控製器在開關變換器中的作用，包括ADC（模數轉換器）的采樣、DSP或MCU的計算、以及DAC（數模轉換器）的輸齣。 數字PID控製器： 詳細講解如何在數字域實現PID（比例-積分-微分）控製器，包括離散化方法（如前嚮歐拉、後嚮歐拉、Tustin變換等），並分析不同離散化方法的優缺點。 數字補償網絡的設計： 探討如何在數字域設計零點和極點，以補償開關變換器的傳遞函數，實現期望的穩定性和動態響應。我們將引入“數字域”的概念，以及如何將連續域的補償設計映射到數字域。 量化誤差與穩定性： 分析ADC量化誤差對環路穩定性的潛在影響，以及如何通過選擇閤適的ADC分辨率和采樣策略來減小誤差。 第四章：高頻開關變換器環路建模與分析 精確的建模是成功環路設計的先決條件。本章將聚焦於高頻開關變換器的建模與分析方法： 狀態空間平均模型（State-Space Averaging）： 這是分析開關變換器動態特性的強大工具。我們將詳細介紹如何建立降壓、升壓等基本拓撲的狀態空間平均模型，理解其在低頻動態分析中的作用。 小信號模型（Small-Signal Model）： 基於狀態空間平均模型，推導齣開關變換器的小信號模型，以便進行頻率域的穩定性分析。 傳遞函數（Transfer Function）： 求解關鍵的傳遞函數，如電壓模式控製下的誤差放大器到輸齣電壓的傳遞函數，電流模式控製下的電壓反饋環路傳遞函數等。 閉環係統分析： 利用勞斯判據（Routh-Hurwitz Criterion）、奈奎斯特圖（Nyquist Plot）和伯德圖（Bode Plot）等工具，分析閉環係統的穩定裕度（增益裕度和相位裕度），並評估其動態響應特性。 數字域的建模與分析： 探討如何將連續域的模型轉換到數字域，進行Z域分析，理解數字控製下的穩定性條件。 第五章：數字控製環路的設計流程與技巧 本章將引導讀者進入實際的設計流程，掌握具體的數字控製環路設計技巧： 明確設計目標： 詳細闡述在設計開始前需要明確的關鍵指標，包括穩態精度、動態響應速度、負載瞬態響應、綫路瞬態響應、輸齣電壓紋波、以及效率等。 選擇閤適的數字控製器： 討論不同類型的數字控製器（MCU、DSP、FPGA）在性能、成本和易用性方麵的權衡，以及如何根據具體應用選擇閤適的控製器。 ADC選型與配置： 強調ADC的采樣率、分辨率、量化噪聲等參數對環路性能的影響，以及如何根據開關頻率和所需精度進行選型。 數字補償器的設計策略： 基於連續域的補償設計再映射到數字域： 講解如何先在連續域設計好補償器，然後通過離散化方法將其轉換為數字補償器。 直接數字域補償設計： 介紹如何在Z域直接設計數字補償器，包括如何設置零點和極點來獲得期望的性能。 數字域的PID參數整定： 提供常用的數字PID參數整定方法，如Ziegler-Nichols方法等，以及在數字域的應用。 電流模式控製的數字實現： 詳細講解如何利用數字控製器實現電流模式控製，包括采樣電流、計算補償、以及數字PWM（脈衝寬度調製）輸齣。電流模式控製在提高瞬態響應和簡化環路補償方麵具有顯著優勢。 特殊控製策略的探討： 簡要介紹一些先進的數字控製策略，如： 模型預測控製（MPC）： 利用係統模型預測未來行為，優化控製輸入。 自適應控製： 根據係統參數的變化自動調整控製策略。 基於ARM Cortex-M係列MCU的數字控製實現： 結閤實際的硬件平颱，探討如何利用ARM Cortex-M係列MCU實現高效的數字控製。 第六章：實際應用案例與調試技巧 理論最終要迴歸實踐。本章將通過具體的應用案例，展示數字控製在高頻開關變換器設計中的實際應用，並分享寶貴的調試經驗： 不同功率等級應用的數字控製設計： 低功率應用的通用設計： 例如手機充電器、LED驅動等。 中高功率應用的數字控製： 例如服務器電源、工業電源等，強調其在效率和可靠性方麵的優勢。 數字電源中的保護與監控功能： 講解如何利用數字控製器實現過壓、過流、過溫等保護功能，以及電壓、電流、溫度等參數的實時監控。 調試與故障排除： 利用示波器和邏輯分析儀進行調試： 講解如何使用這些工具來觀察PWM信號、反饋信號、控製信號等，分析係統行為。 數字控製固件的調試： 分享常用的固件調試方法，如斷點、單步執行、查看變量等。 常見問題的診斷與解決： 例如環路不穩定、震蕩、響應遲緩、效率低下等問題的分析和對策。 第七章：前沿發展與未來展望 技術永無止境，本章將目光投嚮高頻開關變換器數字控製的未來： GaN（氮化鎵）和 SiC（碳化矽）器件在數字控製中的應用： 探討這些新型功率器件如何與數字控製相結閤，進一步提升效率和功率密度。 AI與機器學習在電源設計中的應用： 展望人工智能技術在電源參數優化、故障診斷、甚至自學習控製等方麵的潛在應用。 麵嚮物聯網（IoT）的低功耗數字電源設計： 探討如何設計更智能、更節能的數字電源，以滿足物聯網設備的嚴苛要求。 軟件定義電源（Software-Defined Power）： 展望未來，電源設計將更加靈活和可定製，通過軟件定義即可實現多種功能和性能。 本書籍群策群力，集結瞭眾多經驗豐富的工程師和研究人員的智慧，旨在為讀者提供一個全麵、實用、富有啓發性的學習平颱。我們相信，通過對本書內容的深入學習和實踐，您將能夠自信地駕馭高頻開關變換器的數字控製環路設計，為您的創新項目注入源源不斷的動力，引領電力電子技術的新浪潮。

評分☆☆☆☆☆

初次翻開這本書，我最大的感受是它在內容組織上的匠心獨運。作者似乎深諳不同層次讀者的需求，從最基礎的電力電子學概念開始，逐步深入到復雜的現代控製理論應用。對於我這種在電力電子領域摸爬滾打瞭一段時間、但理論基礎偶爾會感到模糊的工程師來說，這種循序漸進的講解方式簡直是福音。特彆是它對開關電源拓撲結構演變過程的梳理，不僅僅是羅列公式，更是結閤瞭實際應用場景的痛點，讓讀者能清晰地理解為何某些拓撲結構會應運而生，以及它們各自的優缺點和適用範圍。書中對於那些看似枯燥的數學模型推導，也處理得相當得當，穿插瞭大量的圖示和工程實例，使得抽象的理論變得具象化，避免瞭純理論書籍容易讓人産生的“讀不下去”的感覺。我尤其欣賞作者在講解控製環路設計時所展現齣的那種務實態度，他沒有停留在教科書式的理想化模型上，而是深入探討瞭實際器件參數對係統穩定性和動態響應的實際影響，這對於我後續進行硬件迭代和性能優化提供瞭非常寶貴的參考框架。可以說，這本書為我搭建瞭一個非常堅實且全麵的知識底層結構。

評分☆☆☆☆☆

從一個初級設計者到資深架構師的跨越，往往需要跨越理論與實踐之間的鴻溝，而這本書恰恰在這方麵搭建瞭一座堅實的橋梁。它在講解數字控製實現時，對諸如固定點運算的精度影響、如何有效利用DSP或MCU的資源來加速運算等工程細節的討論，體現瞭作者對嵌入式係統和實時控製的深刻理解。很多書籍會把這些“髒活纍活”一筆帶過，但正是這些細節決定瞭最終産品的成敗。這本書的價值就在於，它把那些在實際調試中耗費大量時間去摸索的經驗教訓，用清晰的文字和圖錶總結瞭齣來，極大地壓縮瞭新手的學習麯綫。讀完之後，我感覺自己不僅掌握瞭如何“設計”一個控製環路，更重要的是，理解瞭如何“實現”一個穩定、高效且易於量産的開關電源係統。它教會的不僅是“做什麼”，更是“為什麼這樣做”和“在什麼條件下應該這樣做”，這種深層次的認知提升是無價的。

評分☆☆☆☆☆

這本書在語言風格上呈現齣一種獨特的權威感和邏輯性，完全沒有那種為瞭湊字數而堆砌的冗餘信息。作者的敘述嚴謹而精確，每一個術語的定義、每一個公式的推導都有其明確的目的性和背景依據。它對於反饋控製理論中的關鍵概念，比如波德圖分析、根軌跡法在開關電源穩定裕度評估中的應用，進行瞭極為清晰和富有洞察力的闡述。不同於那種口語化或者過度簡化的教程，這本書敢於直麵復雜性，並通過結構化的方式將其解構，使得原本高不可攀的控製工程理論變得可理解、可應用。我尤其欣賞作者在比較不同補償器（如PID、Type II、Type III）時所采用的視角——不僅僅是看其在特定頻率範圍內的增益和相位錶現，而是著眼於它們對係統瞬態響應和抗擾動能力的整體影響。這使得讀者在選擇控製方案時，能夠基於更全麵的工程權衡，而不是盲目套用標準模闆。

評分☆☆☆☆☆

坦白地說，市麵上很多聲稱是“指南”的書籍，往往在深度上有所欠缺，或者過於偏重某一特定領域。然而，這部作品的廣度和深度給我留下瞭極其深刻的印象。它的覆蓋麵遠遠超齣瞭我最初的預期，它沒有將數字控製的實現僅僅視為一個簡單的“模擬到數字”的轉換過程，而是深入探討瞭如何利用數字處理的優勢，去設計齣超越傳統模擬限度的、更優異的控製策略。比如，它在處理非綫性問題和參數辨識方麵的探討，展現瞭作者深厚的係統工程功底。對於一個需要處理復雜、多變負載環境的電源係統設計師而言，這種前瞻性的理論支撐至關重要。閱讀過程中，我時常需要停下來，反復琢磨其中一些高級概念的深層含義，甚至需要結閤其他領域的知識進行橫嚮對比，這錶明這本書的知識密度非常高，具有很強的“耐讀性”和“挖掘潛力”。它不是讀完一遍就能完全消化的快餐讀物，更像是一本可以陪伴工程師職業生涯成長的工具書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的閱讀體驗，讓我産生瞭一種久違的“沉浸感”，這主要歸功於它在案例分析和仿真驗證部分所下的功夫。它不是那種隻停留在理論推導層麵的教材，而是真正將“設計”二字貫穿始終。作者似乎預設瞭讀者會帶著實際項目中的難題來閱讀，因此書中提供的每一個設計流程，都像是手把手帶著讀者走過一個完整的工程項目周期。從最初的規格確定、環路補償器的初步選型，到最終的驗證與調試，每一步驟都提供瞭詳盡的計算方法和對應的仿真結果對比。這種“理論指導實踐，實踐反哺理論”的閉環設計，極大地提升瞭我的學習效率。特彆是書中關於數字控製實現的部分，對離散化誤差、采樣延遲等實際工程中常常被忽略的細節進行瞭深入剖析，這部分內容對於希望從傳統模擬控製轉嚮更靈活、更精確的數字控製的同行來說，簡直是金礦。我感覺自己不再是孤立地學習理論，而是真正參與到瞭一場高水準的工程實踐之中。