基本信息
原書名： Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide
原出版社： Newnes作者： (美)Sanjaya Maniktala
譯者： 王曉剛 謝運祥
上架時間：2011-1-24
出版日期：2011 年2月
開本：16開
頁碼：199
版次：1-1
內容簡介
《開關電源故障診斷與排除》利用大量真實的事例論述了開關電源故障和排除過程中應遵循的原則，以及高頻環境下的去耦、輸出噪聲和濾波、電容的選用、接地層的鋪設技巧、印製電路板的布局、設備的有效使用、提高效率的手段、emi 和噪聲等基礎知識和上述原因造成的故障及其排除方法。
本書基於作者多年從事開關電源設計工作過程中收穫的經驗與教訓，利用大量真實的事例論述了開關電源故障和排除過程中應遵循的原則，以及高頻環境下的去耦、輸出噪聲和濾波、電容的選用、接地層的鋪設技巧、印製電路板的布局、設備的有效使用、提高效率的手段、emi 和噪聲等基礎知識和上述原因造成的故障及其排除方法，並視角獨特地提出開關電源故障診斷的一家之言。書中還利用解答網路論壇問題的方法討論了業內公司和工程師應持有的態度及與數據手冊相關的一些實際問題。
本書可供各層次開關電源工程人員、設計人員、高校相關專業師生閱讀和參考。
作譯者
Sanjaya Maniktala世界級的開關電源專家。美國博通公司的高層管理者，曾在飛思卡爾、西門子、美國國家半導體等著名公司擔任高級工程領導職務。出版過《精通開關電源設計》等多本名著，是EDN、《電子設計》、《電力電子技術》等雜誌的專欄作家。他還擁有“浮動降壓變換器拓撲”等多項專利。
王曉剛 博士，廣州大學副教授，長期從事電力電子技術的教學工作和開關電源、逆變器、有源電力濾波器、PWM整流器等方面的研究工作。
謝運祥 博士,華南理工大學電力學院教授, 博士生導師, 長期從事電力電子與電力傳動方面的教學和科研工作。
前言
幾個星期前，我發現我急需要找到些靈感。當初，我甚至懷疑寫一本主題這么特殊的書是否真的有必要。因此，儘管在這個偉大的構想上徘徊了5 年之久，我最終還是買了\另一本" 書Robert Pease 的Troubleshooting Analog Circuits。我很慶幸我買到了這本書，因為它滿足了我的兩個要求我不僅認識到這本書的確是激動人心的資源(毫無疑問，這是一本可以讓你在旅途中、手裡拿著脆餅乾和咖啡邊笑邊欣賞的書)，還了解到它與功率變換無關。以這本書封面中的著名圖片為例，其中難解難分糾纏在一起的物體明顯是一個著名的V-F(電壓{頻率) 變換電路。但實際上，它甚至連基本的開關變換器都不是。舉例來說，麵包板對於開關變換器來說就是一個大忌。如果你仔細思考一下，就會發現圖片傳遞的正是在功率變換中不應嘗試的禁忌。令人鼓舞的是，這本書也承認\開關模式調節器與之截然不同"。
當我得知這本關於模擬電路故障診斷的書原本計畫當作另一本關於開關功率變換器的書的其中一章時，我十分驚訝。也許這個計畫是隨著時間的流逝而流產了，也許是因為風險太大市面上幾乎沒有其他該類書籍，這一事實在一定程度上說明了上述假設的合理性。(為你手中捧著的這本書歡呼吧！) 但我還是相信如果那本書按照原來的構想出版，那么它將極具誤導性，原因與這本關於模擬電路故障診斷的書的封面如出一轍。有一段時間，我曾百思不得其解：\這到底是誰的好主意呢？" 後來我認識到當時功率變換仍處在萌芽階段。誰會知道以後的事呢？
在20 世紀70 年代早期，計算速度高達2MHz 的Intel 8080 微處理器曾讓全世界的工程師們驚異不已。\數位化" 成為對新一代電氣工程畢業生的讚美之詞。事實上在那10 年間(以及下一個10 年)，當詢問來公司面試的人希望做什麼時，幾乎所有的人都會眼睛不眨地答道\微處理器！" 我想我改行從事電力電子的原因就是，對於這些\好東西" 我做得不夠好。但是不久之後，我認為事情肯定會因這場數字競賽中的落後者而變了味，無論他是個人還是公司。在由此造成的顛倒性混亂中，一切非數位化的事物都被冠以\模擬的"。
我想知道這究竟是如何發生的。像\模擬電子的功率" 這種吸引人的詞句可能激發了人們的想像力，但它們充其量只是一種矛盾修飾法(oxymoron) (單詞中包含\moron"(傻子) 真是恰如其分)。因為儘管表面上看來，\模擬電子" 和\功率" 顯得如此親密和相似，但實際上它們只是一對陌生的夥伴，你不能在題為\你不需要了解數字電路??儘管問" 的總體綱要中將兩者相提並論。模擬電子和功率之間的確有一些共性，本質上二者都是\非數字" 的，它們的相似性正在於此。現代開關功率變換器的顯著特徵是電壓和電流因特性神秘的電感而有著很陡的邊沿，大量的高頻分量使迄今為止的各種手段都顯得無能為力(這么說毫不誇張)。
\模擬電子或功率，名稱意味著什麼？" 你完全有理由這樣問。由於兩者並不完全對立，所以許多公司中都有這樣一個實際問題：高級管理人員突然出現在你的面前，充滿想像力且滿懷熱情地期望將開關IC 的大生意推向新的高峰，但問題是他只熟悉運算放大器。來看近期發生的一件事，故事發生在總部設在加利福尼亞州聖克拉拉的一家大型模擬電子公司，他們的\電源管理" 和\攜帶型電源" 兩個生產線曾大獲成功，新上任的高級副總裁滿腹懷疑地問他的職員：\為什麼你們說我們的開關IC 很`簡單'？" 他相信這種說法徹底貶低了他們的產品也許像個簡單的漢堡，或者想法太簡單。一個毋庸置疑的事實是這種開關IC 是過去10 年公認的品牌。我們應該稱它們\高性能開關IC"，或者是\創新性的開關IC"？\複雜開關IC" 或\熱情的開關IC" 聽上去如何？(這會使工程師們爭先恐後地購買它們！) 隨後會議室安靜了下來，幾位野心家還在點著頭，態度令人敬畏地放肆，但沒有人敢於站出來告訴他們的皇帝，他現在確實需要一個好裁縫。
再來向下觀察食物鏈(或許我應該說\向上")。僅在幾年前，功率變換還是一個令大多數工程師望而卻步的利基市場(niche market)，如今這個市場變得大多數人沒有能力去做。但是，寫一篇與功率變換有關的漂亮文章，或者整理出一本令人激動的教材是一回事，在實驗台上製作出一台能工作的變換器則完全是另一回事。別忘了， 你還必須令它非常可靠而且成本低，這是問題的關鍵。造成這種不幸現狀的原因很多，有一點可以肯定，那就是幾乎沒有培養工程師的學校會講授大量的電力電子學知識，尤其是開關電源(SMPS) 的知識。這就是缺乏開關電源知識的電氣工程專業。很不幸，這還不是唯一的原因，每家公司都在奮力爭奪少數幾所在電氣工程專業具有優勢的學校的畢業生。情況必須有所改變，以適應對經過專門訓練的畢業生規模日益龐大的需求。
功率變換領域不僅變得非常重要，而且越來越複雜。一位極力模仿他人的專家如果僅對模擬電路故障診斷與排除的書進行敏銳而深入的研究是不會輕易成功的\如果你站在一個大型演講台上並且誇誇其談， 通常人們會認為你知道自己在說什麼，他們不再尋找錯誤??這本身就是一個錯誤。" 我還記得大廈D 座的複印機發出的雷鳴般的響聲不時地被我在太平洋這一邊聽到過的最動聽的詞句所打斷， 我絕對不會記錯！幸好我很快由我的經歷明白了這樣一條道理：在你犯錯前幫你發現錯誤的人是你在公司中最好的朋友，在你犯錯後幫你找出錯誤的人是支持你的人，在你犯錯前後都隻字不提的人確實讓你看走了眼。要學會明辨是非。
在當今科學與工程界，我們都越來越多無一例外地受到同級的嚴格檢查和反覆核對。我們已經無法隱藏於別人錯誤的背後，或者大聲抱怨著試圖將人們的注意力從自己的錯誤上移開。因此我們必須學會在必要時坦白承認錯誤，並且承認越快越好，以避免由錯誤的行為或建議帶來的嚴重後果，因為這是推動大家進步的動力。同樣，我們還必須以相同標準來要求與這一領域相關的所有人。不應再把漂亮的廣告宣傳單、媒體演示或華而不實的線上工具當真。必須儘快提高標準。功率變換是一個複雜的領域，不僅會出現大量無心之失(這種錯誤我每天都犯)，並且還湧現出大量奇特的術語、可怕的公式以及那些所謂的\無奈的平衡"，聽起來振振有詞，實則在掩蓋自己的錯誤如果錯誤是有意而為的話。所以，就算是供貨商，無論他們多么趾高氣揚，也必須與我們一樣做同樣認真的檢查。這就是我理解的工程學。如果不這樣做的話，我認為所有有關的成本將迅速增加。世界正變得越來越小，實際上我們已經緊密聯繫在一起。我們還能再濫竽充數下去嗎？
最後，該說再見了。三本書已經足夠，你會認同這一點。我不會再寫了。所以，本書是我向你講述人生經驗的最後一次機會。我還希望這個過程能激發你的興趣，讓你有親身經歷的感覺。相信這種方式能夠令你在看故事的同時也不會忘記與之相關的專業知識。因此在我最終擱筆之際，我感謝你們一直以來給予我的巨大支持。我真誠希望這本書不僅讓你有所收穫，還能讓你愛不釋手，就像我寫這本書的時候一樣。我估計讀者會認為本書有幾處過於直言不諱了，但我可以向你保證其真實性，一點也沒摻假。
Sanjaya Maniktala
目錄
第1 章 關於電源的思考 1
1.1 實踐與理論：硬幣的兩面 1
1.2 拋開成見 2
1.3 謹慎地選擇朋友 3
1.4 尋找解決問題的方法 7
1.5 電源中的連鎖反應 7
1.6 經驗很重要，對此沒有假設、拖延或反對 8
1.7 不要忽視任何一個問題，問題發生時已經為時太晚 9
1.8 熟練使用儀器 10
1.9 對症下藥的故障排除方法 10
1.10 因果關係是第一個災難 14
1.11 從(別人的) 錯誤中獲取經驗 17
1.12 與解決問題有關的問題 18
第2 章高頻的影響與輸入去耦的重要性 23
2.1 大謊言與原理圖 23
2.1.1 pcb 走線的阻抗 23
2.1.2 ic 內部的接地反彈 23
2.1.3 接地層 23
2.1.4 分壓器及其正確布局 24
2.1.5 效率的測量與直流電阻 26
.2.1.6 開爾文感測法 27
2.1.7 電源與地之間走線的電感 28
2.1.8 避免使用繞線電阻 29
2.2 職業性危害 29
2.3 細心觀察反饋走線 30
2.4 物理距離成為關鍵 31
2.5 估計諧波的幅值 33
2.6 高頻輸入去耦 33
2.7 別忘記緊鄰ic 放置0.1f 的陶瓷電容 34
2.8 你也需要大容量電容 34
2.9 \缺少的" 電流來自何處 35
2.10 檢查你的實驗電源 38
2.11 未使用大容量電容以及電容的esr 過大會引起嚴重問題 38
2.12 只用一個電容來抑制噪聲和紋波？ 40
2.13 控制ic 也需要無噪聲的電源走線 41
2.14 升壓變換器的去耦稍有不同42
第3 章輸出噪聲與濾波 43
3.1 測量輸出噪聲和紋波 43
3.1.1 輸出噪聲和紋波，及其與輸入噪聲和紋波的關係(psrr) 44
3.1.2 接受噪聲，但不接受振盪 45
3.1.3 噪聲太嚴重了？嘗試降低mosfet 的速度 47
第4 章明智地使用電容 53
4.1 簡介 53
4.2 第1 部分：鋁電解電容 53
4.2.1 elko 電容的結構和類型 53
4.2.2 免費獲得阻尼電阻(esr) 54
4.2.3 謹慎使用elko 電容 54
4.2.4 elko 電容能容忍濫用 55
4.2.5 elko 電容的諧振頻率 56
4.2.6 振動測試的犧牲品 56
4.2.7 elko 電容的預期壽命 57
4.3 第2 部分：陶瓷電容 62
4.3.1 mlcc 的結構 62
4.3.2 陶瓷電容的分類 62
4.3.3 電容/電阻的標準尺寸 63
4.3.4 不同的材料的esr 64
4.3.5 揭開x7r 電容的面紗 65
4.3.6 x7r 電容的溫度係數 65
第5章 使接地層的效用最大化 73
5.1 並聯輸出電容以實現均流 73
5.2 兩種解決方案的對比：開關ic與控制ic 76
5.3 快速地檢驗鋁電解電容的電流 76
5.4 二次側走線電感及其對效率的影響 76
5.5 接地層中電流的返迴路徑 78
5.6 並聯走線以降低電感 80
5.6.1 多層板及其接地層 81
5.6.2 同步控制器和開關ic 的死區時間 82
第6章 ac-dc 與dc-dc 變換器的印製電路板布局 83
6.1 簡介 83
6.2 評估板(evb) 83
6.2.1 降壓變換器的pcb 84
6.2.2 升壓變換器的pcb 85
6.2.3 升降壓變換器的pcb 86
6.2.4 正激變換器的pcb 87
6.2.5 反激變換器的pcb 87
6.2.6 布局時的一些要點 88
6.2.7 熱管理問題 91
6.2.8 製作便於故障診斷的電路板 92
第7章 不使用接地層 98
7.1 基於384x 系列控制器的單層板 98
7.2 一次側電流迴路 99
7.3 二次側電流迴路 100
7.4 真正的“調換”(switch) 103
第8 章故障診斷策略的一家之言 105
8.1 剝洋蔥 105
8.1.1 提出正確的問題 106
第9 章讓設備有效地工作 124
9.1 簡介 124
9.2 基本設備 124
9.2.1 實驗室須知 124
9.2.2 時鐘的穩定性和抖動 126
9.2.3 理解示波器顯示的波形 127
9.2.4 變換器不穩定：與控制環有關 129
9.2.5 單次捕獲模式示波器的捕捉問題 131
9.2.6 電流尖峰測試 132
9.2.7 高dv /dt 測試 133
9.2.8 錫焊技巧 133
9.2.9 世上最快的故障診斷工具 133
9.2.10 雜項 134
第10 章效率原則 135
10.1 確保足夠的驅動電壓 135
10.2 使電容寄生參數最小 138
10.3 合理設計緩衝電路和鉗位電路 138
10.4 改變頻率 141
10.5 分時原理 142
10.6 正確理解降壓變換器的效率曲線 143
10.7 估計通態損耗與開關損耗之比 145
第11 章磁性元件、電磁干擾和噪聲 151
11.1 願望 151
11.2 改變處理emi 問題的方式 154
11.3 鉗位電路的位置同樣能影響噪聲 157
11.4 emi 故障診斷備忘錄 157
第12 章論壇、數據手冊以及其他實際問題 163
12.1 思考很關鍵 163
12.2 反覆核對一切 163
12.3 產品責任問題 165
12.4 全新全意為客戶 165
12.5 問題與解答 166
12.5.1 問題1 167
12.5.2 問題2 168
12.5.3 問題3 170
12.5.4 問題4 171
12.5.5 問題5 173
12.5.6 問題6 177
12.5.7 問題7 178
12.5.8 問題8 182
12.5.9 問題9 183
12.5.10 問題10 184
12.5.11 問題11 188
12.5.12 問題12 190
12.5.13 問題13 190
12.5.14 問題14 192
12.5.15 問題15 193
12.5.16 問題16 194
附錄 198
