现代仪器电源--原理技术设计 张建生 9787030150950 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张建生 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030150950

商品编码：29690919075

包装：平装

出版时间：2005-07-01

基本信息

书名：现代仪器电源--原理技术设计

定价：28.00元

作者：张建生

出版社：科学出版社

出版日期：2005-07-01

ISBN：9787030150950

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版次：1

装帧：平装

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编辑推荐

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内容提要

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本书紧密结合具体产品，系统全面地介绍新型仪器电源技术的基本原理和实用技术，具有较强的实用性和针对性。全书内容包括：开关电源原理，开关电源性能分析，开关电源中功率器件性能分析，开关电源产品设计与工艺，通信用智能开关电源的监控系统及高频开关电源系统，通信机房电源的配置，通信用新型电源电池，新型智能开关电源设计仿真等。此外，附录中还列出了和开关电源相关的高频功率变压器的设计，以及部分电源 MOSFET器件参数表，以供读者参考。
本书可作为电气工程及自动化专业、电子信息专业、通信工程专业的教材或辅导用书，也可供其他相关专业及对现代仪器电源感兴趣的读者阅读。

目录

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章 开关电源基础
　1.1 开关电源基础
　1.2 开关电源的功率变换电路
　1.3 开关电源的反馈控制电路
　1.4 开关电源驱动电路
　1.5 开关电源功率因数及校正器
第二章 开关电源的性能指标
　2.1 电源指标体系介绍
　2.2 开关电源与其他电源的性质比较
第三章 开关电源常用的集成控制器
　3.1 SG1524系列开关电源控制器
　3.2 TL494型开关电源集成控制器
　3.3 UC1842系列开关电源集成控制器
第四章 开关电源主控元器件
　4.1 二极管
　4.2 功率晶体管
　4.3 功率MOS场效应晶体管
　4.4 绝缘栅双极晶体管
　4.5 光电耦合器
　4.6 精密可调基准 电源
　4.7 开关电源中使用的厚膜电路
　4.8 开关电源中使用的电容器
第五章 开关电源产品设计与工艺
　5.1 概述
　5.2 变压器的设计
　5.3 开关管与整流二极管的参数计算
　5.4 吸收回路的设计计算
　5.5 功率晶全管的选择
　5.6 功率晶体管的保护电路设计
　5.7 MOSFET的选择与保护
第六章 通信用智能开关电源的监控系统
　6.1 智能开关电源的监控原理
　6.2 电源监控系统的通信接口与通信协议
　6.3 DK系列智能开关电源监控模块
　6.4 MSS3000多媒体集中监控系统
　6.5 监控系统实例
第七章 通信用智能高频一菤电源系统
　7.1 概述
　7.2 PS48600型智能高频开关电源系统
　7.3 谐振型通信开关稳压电源系统
第八章 通信机房电源配置
　8.1 概述
　8.2 机房电源的设置
　8.3 接地、防雷及各种保护措施
　8.5 电力电池机房的设计
第九章 通信用新型电源电池
　9.1 通信用蔗园电池的发展动态和分类
　9.2 铅酸蓄电池的基本工作原理和应用
　9.3 镍镉电池
　9.4 镍金属氢化物电池
　9.5 锂离子电池
　9.6 太阳能电池
第十章 新型智能开关电源设计仿真
　10.1 开关电源计算机仿真技术
　10.2 MATLAB语言在新型智能开关电源仿真中的应用
　10.3 ISPICE及其在开关电源仿真中的应用
　10.4 新型智能开关电源的优化设计方法
　10.5 工程优化的基本内容
　10.6 开关电源应用优化方法的几个问题
附录1 高频功率变压器的设计
附录2 部分电源MOSFET器件参数表
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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仪器电源的理论基石与实践探索 在精密仪器日益普及的今天，稳定、可靠且高质量的电源已成为衡量仪器性能优劣的关键因素之一。从实验室的高精度分析仪器到工业生产线上的自动化控制设备，再到医疗领域的生命支持系统，无一不依赖于强大而精密的电源供应。本书深入剖析了现代仪器电源的核心原理，系统阐述了实现高性能电源所需的关键技术，并提供了详实的设计思路与实践指导，旨在为读者构建一个全面而深入的仪器电源知识体系。 第一部分：仪器电源的原理基础 仪器电源的设计并非凭空而来，它建立在一系列深刻的物理学和电学原理之上。本部分将首先追溯电源技术的演进，从早期的线性电源到如今广泛应用的开关电源，梳理其发展脉络，帮助读者理解不同技术路线的优势与局限。 1.1 电能转换的本质：从交流到直流 几乎所有电子仪器都需要稳定可靠的直流电能，而电网提供的通常是交流电。因此，将交流电转换为直流电是仪器电源的首要任务。本部分将详尽介绍各种整流电路的原理，包括半波整流、全波整流（中心抽头变压器式和桥式整流）及其各自的优缺点。在此基础上，将深入探讨滤波技术，这是消除整流后的脉动直流电压、使其接近理想直流的关键。我们将详细分析电感滤波、电容滤波以及LC组合滤波的原理、计算方法和在不同应用场景下的选择策略。 1.2 电压稳定性的奥秘：稳压技术 纯净的直流电还不足以满足精密仪器的苛刻要求，电压的稳定性至关重要。任何微小的电压波动都可能导致仪器读数的偏差甚至功能失常。本部分将系统介绍两大类主流稳压技术：线性稳压和开关稳压。 线性稳压器： 详细解析串联型稳压器（如三端稳压器LM78XX/LM79XX系列）的工作原理，重点讲解其内部的反馈、比较、放大和调整机制。同时，也将探讨并联型稳压器（如TL431等精密基准源配合功率管）的稳压原理。我们将分析线性稳压器在稳压精度、输出噪声、动态响应等方面的优势，并指出其主要的缺点——效率较低，尤其在输入输出压差较大时，功耗会显著增加，产生大量热量。 开关稳压器： 这是现代高效率电源的核心技术。本部分将对开关稳压器进行深度解析，从最基础的Buck（降压）、Boost（升压）和Buck-Boost（升降压）拓扑结构入手，详细阐述其工作原理、功率开关管的周期性导通与关断、电感/电容的储能与释放过程。我们将深入研究PWM（脉冲宽度调制）和PFM（脉冲频率调制）等控制方式，以及它们如何精确控制输出电压。进一步，我们将引入更复杂的拓扑，如SEPIC、Cuk、Flyback、Forward、Half-Bridge、Full-Bridge等，分析它们在不同电压转换需求下的适用性、效率特点和隔离需求。 1.3 电源的“健康”指标：纹波与噪声 纹波是电源输出电压周期性的波动，而噪声则是非周期性的随机干扰。它们是衡量电源纯净度的重要指标，也是影响仪器性能的“杀手”。本部分将详细分析纹波和噪声的产生源，包括整流滤波不完善、开关器件的开关瞬态、电磁干扰（EMI）耦合等。我们将介绍量化纹波和噪声的各种指标，如峰峰值纹波、RMS纹波、输出噪声电压等。更重要的是，本部分将提供一系列抑制纹波和噪声的有效方法，包括优化滤波电路设计、采用差分滤波、屏蔽与接地技术、合理的PCB布局等。 1.4 效率与功率密度：现代电源设计的永恒追求 在同等性能的前提下，更高的效率意味着更低的能耗和更小的散热需求，从而实现更小的体积和更低的运行成本。功率密度则是单位体积内的输出功率。本部分将探讨提升电源效率的各种策略，包括选择高效率的功率器件（如MOSFET、GaN、SiC器件）、优化开关频率、采用同步整流技术、优化磁性元件设计等。同时，也将讨论如何通过高频化设计、集成化设计以及新型拓扑的应用来提高功率密度，使仪器电源更加紧凑化。 第二部分：现代仪器电源的关键技术 在掌握了基本原理之后，本部分将聚焦于实现高性能仪器电源所需的一系列关键技术，这些技术是区分普通电源与精密仪器电源的“内功”。 2.1 精密稳压与反馈控制 精确的输出电压是仪器正常工作的生命线。本部分将深入探讨精密稳压的实现技术，包括： 误差放大器设计： 分析跨阻放大器、跨压放大器等在稳压回路中的应用，以及如何优化其带宽、增益和稳定性。 基准电压源： 介绍各种精密基准电压源（如带隙基准、齐纳二极管稳压器）的工作原理、精度指标（温度系数、初始精度）以及选择考量。 反馈回路的稳定性分析： 详细讲解根轨迹法、Bode图法等分析反馈回路稳定性的方法，以及如何通过补偿网络（如PID控制）来优化瞬态响应和稳定性。 数字控制技术： 探讨微控制器（MCU）在电源中的应用，如何实现更灵活的数字PWM控制、电压/电流监测、保护功能以及多路输出协同控制。 2.2 隔离技术：安全与性能的保障 在许多应用场景下，仪器电源的输出端需要与输入端（如市电）在电气上隔离，以确保操作人员的安全，防止共模干扰，并实现电压的升降压。本部分将详细介绍各种隔离变压器和隔离变压器的设计与应用： 变压器原理与设计： 讲解电磁感应定律在变压器中的应用，如何根据功率、频率、电压比等参数计算铁芯尺寸、绕组匝数和导线截面积。 隔离式开关电源拓扑： 深入研究Flyback、Forward、Half-Bridge、Full-Bridge、Resonant Converter等隔离式拓扑的原理，分析它们的效率、隔离性能、元器件选择和应用范围。 高频变压器设计： 讨论在高频工作下，如何减小磁芯损耗、铜损（集肤效应、邻近效应），优化漏感和分布电容。 光耦隔离： 介绍光电耦合器在反馈回路中的应用，其隔离原理和选择要点。 2.3 保护与可靠性设计 仪器电源的可靠性直接关系到整个仪器的稳定运行，而完善的保护功能则是避免设备损坏、保障安全的最后一道防线。本部分将全面探讨各种保护措施： 过压保护（OVP）： 介绍如何利用钳位电路（如TVS管）、比较器或MCU来检测并快速切断过压输出。 欠压保护（UVP）： 讲解如何防止输出电压过低对设备造成损害。 过流保护（OCP）： 重点分析限流技术，包括折返限流、恒流限流以及电流模式控制的OCP功能。 过温保护（OTP）： 介绍如何通过热敏元件（如NTC热敏电阻、温控开关）监测温度，并触发保护机制。 短路保护： 探讨不同类型的短路保护策略，以及如何在短路发生时快速响应并避免损坏。 软启动： 解释软启动的原理，如何通过限制浪涌电流来保护器件和延长设备寿命。 冗余设计与热插拔： 介绍在高可靠性要求的场合，如何通过冗余电源模块和热插拔技术来保证持续供电。 2.4 电磁兼容性（EMC）设计 现代仪器对电磁兼容性（EMC）的要求越来越高，以避免电源的电磁辐射干扰其他设备，同时也要抵御外部电磁干扰。本部分将深入探讨EMC设计： EMI的产生与传播： 分析开关电源产生EMI的主要源头，如开关器件的瞬态电流、电磁辐射等。 传导干扰与辐射干扰： 区分这两种干扰形式，并提出相应的抑制对策。 滤波技术： 详细介绍EMI滤波器（如共模滤波器、差模滤波器）的设计原理、元器件选择（共模电感、X/Y电容）及其在电源中的布局。 屏蔽与接地： 探讨金属外壳的屏蔽作用，以及良好的接地是减少EMI的关键。 PCB布局技巧： 强调电源PCB布局对EMC性能的重要性，包括回路面积最小化、信号隔离、电源/地平面设计等。 第三部分：仪器电源的设计实践与案例分析 理论结合实践是掌握任何技术的必由之路。本部分将从实际工程设计的角度出发，提供具体的指导和丰富的案例。 3.1 器件选型与参数计算 功率器件选型： MOSFET、IGBT、GaN、SiC等功率器件的特性分析，如何根据电压、电流、开关速度、导通电阻、封装等参数进行合理选择。 磁性元件设计： 扼流圈、变压器的设计与选型，包括磁芯材料、尺寸、气隙、绕组工艺的选择，以及如何计算参数以满足效率和体积要求。 电容与电阻选型： 针对不同应用场景（如滤波、退耦、限流），如何选择合适的电容（陶瓷电容、电解电容、薄膜电容）和电阻（功率电阻、精密电阻）。 控制芯片选型： 介绍主流的PWM控制器、LLC控制器、PFC控制器等集成电路，以及如何根据设计需求进行选择。 3.2 PCB布局与布线 电源PCB布局原则： 强调高电流回路、开关节点、控制信号、反馈信号的走线策略，以及如何减少寄生参数。 散热设计： 合理的元器件布局、散热器选择、风扇配置等，以确保电源在额定工况下稳定工作。 多层板设计： 阐述多层板在电源设计中的优势，尤其是在实现良好的地平面和电源平面方面。 3.3 实际设计流程与方法 需求分析与规格定义： 如何根据仪器应用的具体需求，明确电源的输入/输出电压、电流、功率、精度、纹波、效率、尺寸、成本等关键指标。 拓扑结构选择： 基于规格要求，选择最适合的电源拓扑结构（如Buck、Boost、Flyback、LLC等）。 电路原理图设计： 绘制完整的电路原理图，包含主电路、控制电路、保护电路等。 元器件参数计算与仿真： 利用仿真软件（如LTspice, PSpice）进行关键参数的计算和电路性能的预估。 PCB布局与打样： 进行实际的PCB布局设计，并安排打样制作。 样机制作与调试： 焊接元器件，进行电路调试，解决设计中遇到的问题。 测试与验证： 对样机进行各项性能指标（电压精度、纹波、效率、负载调整率、温度等）的严格测试，确保设计符合要求。 可靠性与EMC测试： 进行长期可靠性测试和EMC测试，以满足相关标准。 3.4 典型应用案例分析 本部分将选取几种典型的现代仪器电源应用场景，进行深入的案例分析，例如： 高精度数字示波器电源设计： 分析其对噪声、纹波、瞬态响应的要求，以及相应的电源架构和关键技术。 频谱分析仪低噪声电源设计： 重点探讨如何实现极低的输出噪声，以及对隔离和EMI的要求。 激光器驱动电源设计： 讲解大功率、高精度电流控制在激光器驱动中的应用。 医疗设备电源设计： 强调其对安全、可靠性、低漏电流以及EMC的严苛标准。 工业自动化控制系统电源设计： 关注其对环境适应性、过载能力和可靠性的要求。 本书力求以严谨的理论分析、深入的技术阐述和丰富的实践经验，为读者提供一个系统、全面、实用的仪器电源设计指南。无论您是电子工程专业的学生、资深的电源工程师，还是对仪器电源技术感兴趣的研究人员，本书都将是您宝贵的参考资料，帮助您掌握现代仪器电源的设计精髓，并能在实际工作中游刃有余。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度达到了一个非常平衡的境界，它成功地在“科普”和“专业深入”之间找到了一个完美的结合点。对于初学者来说，它可以作为一本坚实的基础教材，带你构建起对现代仪器电源系统的完整认知框架；而对于资深工程师而言，其中涉及的很多前沿控制策略和特定应用场景的优化技巧，仍然提供了新的思考角度和参考价值。我发现，很多新技术名词的定义和概念的提出，都带有作者自身多年的实践沉淀和独特的见解，这些“独家秘笈”是其他泛泛而谈的资料里难以找到的。它不是一本仅仅复述教科书知识的工具书，而更像是一份凝聚了作者心血的、富有洞察力的技术总结。这种厚重感和前瞻性，使得这本书在我的工具书架上，占据了一个非常核心的位置，我确信未来在处理复杂电源设计问题时，还会频繁地翻阅它来寻找灵感和验证思路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计给我留下了非常深刻的印象，封面采用了一种低调而沉稳的深蓝色调，配合着清晰的白色宋体标题，显得专业感十足。纸张的质感也相当不错，厚实且光滑，阅读起来非常舒适，即便是长时间翻阅也不会觉得眼睛疲劳。我尤其欣赏的是内文的排版布局，图表和文字的穿插处理得非常得当，复杂的电路图和波形分析图都清晰明了，标注详尽，这对于理解那些抽象的技术概念来说，无疑是巨大的帮助。很多技术书籍在图文混排上处理得比较生硬，导致阅读体验下降，但这本书明显在这方面下了功夫，每一个技术细节的呈现都经过了精心的设计。装订方面也很牢固，我感觉这本书可以经受住我这种经常带着它在各种工况环境下阅读的“折腾”，不会轻易散页或松动。从整体的物质感受上来说，它散发出的那种“匠人精神”和对细节的关注，已经预示了书中内容的高水准，这绝不是一本随便印刷的教材能比拟的，光是捧在手里，就能感受到作者和出版社对于知识载体本身的尊重。

评分☆☆☆☆☆

技术图表的绘制质量，是衡量一本优秀技术书籍的另一个重要维度，而这本书在这方面表现得堪称典范。无论是原理框图、时序图还是关键节点的电压电流波形图，它们的线条都极其清晰锐利，几乎没有模糊或重影的情况。更重要的是，这些图表不是简单的装饰品，它们是文字内容的有力延伸和精确补充。例如，在讨论开关电源的控制环路时，作者提供的根轨迹图和波特图，不仅数据点位标注准确，而且图例的解释也极为到位，让人一眼就能看出系统响应的裕度和稳定性状况。在某些复杂的半控桥电路分析中，甚至连关键元件的参数变化对输出波形的影响都被绘制成了对比图，这种直观的比较方式，比单纯阅读文字描述要高效得多。这表明编者对制图标准有着极高的要求，确保了信息的准确无误地传递。

评分☆☆☆☆☆

当我翻开书本，开始接触到第一章的内容时，我立刻被作者行云流水的叙述方式所吸引住了。他没有采用那种刻板的、充满术语堆砌的写作风格，而是更像一位经验丰富的工程师在手把手地指导初学者。语言流畅且富有逻辑性，即便是初次接触这个领域的读者，也能顺着他的思路逐步深入。特别是对于一些基础原理的阐述，作者总是能找到非常贴切且生动的比喻来解释其背后的物理意义，这极大地降低了理解门槛。我记得其中一个关于反馈机制稳定性的讨论，作者用了一个日常生活中常见的例子来类比，瞬间就让我明白了那个看似复杂的数学模型到底在描述什么现象。这种将深奥理论“去魅”的能力，是衡量一本技术著作是否优秀的黄金标准。他的文字不是在“说教”，而是在“引导思考”，引导读者自己去发现和验证那些规律，这种互动式的阅读体验非常棒。

评分☆☆☆☆☆

这本书在案例分析和实际应用部分的详尽程度，简直令人惊叹。它不仅仅停留在理论的描述上，而是深入到了“为什么”和“怎么办”的层面。书中穿插了大量的真实世界中遇到的电源设计难题和对应的解决方案，这些内容对于正在进行项目开发的工程师来说，简直就是一份宝贵的“排雷指南”。我特别留意了关于EMC（电磁兼容性）设计的章节，很多教材往往只是简单提及标准和要求，但这本书却详细剖析了不同拓扑结构下可能产生的噪声源，以及如何通过优化布局、选择合适的滤波元件来有效抑制它们，甚至连PCB走线的宽度和间距对高频信号完整性的影响都做了细致的推演。这些都是书本理论教学中常常被忽略的、但却是决定产品成败的关键因素。读完这些章节，感觉自己像是上了一堂顶级的实战大师课，对未来设计的信心都增加了不少。