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卢卡·科拉迪尼 著

图书标签:

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店铺： 义博图书专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111576051

商品编码：19981406541

预计2017-11-25左右到货

 

高频开关变换器的数字控制

定价：￥89.00

作者：意］卢卡·科拉迪尼

I S B N ：978-7-111-57605-1条码书号：9787111576051上架日期：2017/11/13出版日期：2017/11/1版       次：1-1出 版 社：机械工业出版社丛 书 名： 电子科学与工程系列图书

《高频开关变换器的数字控制》全面地介绍了开关功率变换器的数字控制。 第1章简介了开关变换器连续时间域经典的平均状态建模方法。第2章介绍了数字控制的基本结构。第3章介绍了开关变换器离散域直接建模的方法并得到z域的小信号动态模型。在此基础上，第4章介绍了如何直接设计数字补偿器。第5章介绍了模/数(A/D)转换器的幅度量化误差和数字脉冲宽度调制器（DPWM）。第6章介绍了数字补偿器的实现。后,第7章介绍了整定技术。

《高频开关变换器的数字控制》可为从事电力电子或数字控制的相关研究和应用的工程技术人员提供参考，也可作为高等院校相关专业学生的研究生教材使用。

目录

译者序

原书前言

导论1

第1章DC-DC变换器的连续平均建模9

1.1PWM变换器9

1.2变换器的稳态11

1.2.1升压变换器举例12

1.2.2开关纹波估计13

1.2.3基本变换器的电压转换比14

1.3变换器的动态和控制15

1.3.1变换器的平均和线性化16

1.3.2脉冲宽度调制器的建模18

1.3.3系统环路增益19

1.3.4基本变换器的平均小信号建模20

1.4状态空间平均法21

1.4.1变换器的静态工作点21

1.4.2平均小信号状态方程模型22

1.4.3升压变换器举例23

1.5设计实例24

1.5.1电压模式控制的同步降压变换器25

1.5.2平均电流模式控制的升压变换器32

1.6占空比d［k］和d(t)36

1.7要点总结37

第2章数字控制环路38

2.1实例学习：电压模式的数字控制38

2.2A/D转换39

2.2.1抽样速率39

2.2.2幅值量化42

2.3A/D转换数字补偿器43

2.4数字PWM（DPWM）46

2.5环路中的延迟48

2.5.1控制延迟48

2.5.2调制延迟49

2.5.3整个环路延迟51

2.6数字控制设计中使用平均模型52

2.6.1平均模型的局限性52

2.6.2数字控制的变换器的平均模型54

2.7要点总结57

第3章离散时间建模58

3.1离散时间小信号建模58

3.1.1入门实例：开关电感60

3.1.2一般情况63

3.1.3用于PWM的基本类型的离散时间模型64

3.2离散时间模型实例66

3.2.1同步降压变换器66

3.2.2升压变换器72

3.3时不变拓扑的离散时间建模76

3.3.1离散时间建模的等价性78

3.3.2与修正Z变换的关系80

3.3.3Tu(z)的计算80

3.3.4降压变换器实例83

3.4基本Matlab的变换器的离散时间建模83

3.5要点总结87

第4章数字控制88

4.1系统级补偿器的设计88

4.1.1采用双线性变换法直接设计89

4.1.2在z域和p域的数字PID补偿器91

4.2设计例程94

4.2.1电压控制模式时同步降压变换器的数字控制94

4.2.2电流控制模式时升压变换器的数字控制100

4.2.3多环控制模式时同步降压变换器的数字控制102

4.2.4升压功率因数校正器105

4.3变换器的其他传递函数117

4.4驱动器饱和与积分抗饱和措施120

4.5要点总结124

第5章幅值量化126

5.1系统量化126

5.1.1A/D转换器127

5.1.2DPWM量化128

5.2稳态时的解129

5.3无极限环的条件131

5.3.1DPWM与A/D分辨率132

5.3.2积分增益134

5.3.3动态量化效应136

5.4DPWM和A/D转换器实现技术137

5.4.1DPWM硬件实现技术137

5.4.2通过Σ-Δ调制有效改进DPWM的分辨率141

5.4.3A/D转换器142

5.5要点总结143

第6章补偿器的实现144

6.1PID补偿器的实现146

6.2系数的缩放和量化148

6.2.1系数的缩放149

6.2.2系数的量化151

6.3电压控制模式实例：系数量化153

6.3.1并联结构154

6.3.2直接结构156

6.3.3级联结构157

6.4定点控制器的实现161

6.4.1有效的动态范围和硬件的动态范围162

6.4.2信号的上限和L1范数163

6.5电压控制模式实例：定点实现164

6.5.1并联实现166

6.5.2直接实现169

6.5.3级联实现171

6.5.4线性系统和量化后的系统响应对比174

6.6控制器的HDL实现175

6.6.1VHDL实例175

6.6.2Verilog实例178

6.7要点总结179

第7章数字控制的自整定180

7.1自整定技术简介180

7.2可编程的PID结构181

7.3通过注入数字扰动信号实现自整定184

7.3.1工作原理185

7.3.2PD自整定的实现188

7.3.3仿真实例190

7.3.4PD自整定环路的小信号分析192

7.4基于继电器反馈的数字自整定197

7.4.1工作原理198

7.4.2数字式继电器反馈的实现199

7.4.3仿真实例202

7.5实现问题203

7.6要点总结204

附录205

附录A离散时间线性系统和Z变换205

A.1差分方程205

A.1.1强迫响应206

A.1.2自由响应207

A.1.3脉冲响应和系统的模208

A.1.4模的渐进特性209

A.1.5更多实例209

A.2Z变换210

A.2.1定义210

A.2.2性质210

A.3传递函数212

A.3.1稳定性212

A.3.2频率响应212

A.4状态空间表达式213

附录B定点算法和HDL编码214

B.1截断操作和截断误差214

B.2浮点和定点算术系统215

B.3二进制补码（B2C）的定点表示216

B.4信号表示218

B.5B2C数的操作以及HDL实例219

B.5.1符号扩展219

B.5.2对齐220

B.5.3符号取反221

B.5.4LSB和MSB截断222

B.5.5加法和减法223

B.5.6乘法225

B.5.7溢出检测和饱和运算225

附录C规则采样脉冲宽度调制器的小信号相位滞后230

C.1后沿调制器231

C.2前沿调制器234

C.3对称调制器234

参考文献236

。。。。。。。。。。

精密电力之脉动：探索高频开关电源的核心奥秘 在现代电子技术的浩瀚图景中，电力转换扮演着不可或缺的基石角色。从微小的芯片到庞大的数据中心，高效、稳定的电力供应是其赖以生存的命脉。而开关电源（SMPS），凭借其卓越的效率和紧凑的体积，已然成为这场电力革命的核心驱动力。本书并非深入探讨某本特定书籍的细枝末节，而是旨在为广大电子工程师、技术爱好者以及相关专业学生提供一个全面、系统、深入的视角，去理解和掌握现代高频开关变换器环路设计这一关键领域。我们将拨开迷雾，层层剥茧，从基本原理出发，一路攀升至复杂的设计技巧，力求让读者能够真正理解并驾驭这一强大的技术。 第一章：开关变换器的基本原理与拓扑结构 在深入环路设计之前，扎实的基础是不可或缺的。本章将带领读者回顾开关变换器的基本工作原理，深入剖析其核心要素：开关器件的瞬时导通与关断如何实现电压、电流的转换。我们将详细介绍几种最经典、最常用的开关变换器拓扑结构，包括： 降压变换器（Buck Converter）： 它是最基础也是应用最广泛的拓扑之一，用于将输入电压降低到期望的输出电压。我们将分析其工作模式（ CCM 和 DCM ），理解电感、电容和开关器件在能量存储与释放中的作用。 升压变换器（Boost Converter）： 顾名思义，它能将输入电压升高。我们将探讨其工作原理，以及在何种场景下选择升压变换器。 升降压变换器（Buck-Boost Converter）： 这种拓扑能够输出比输入电压更高或更低的电压，其输出极性与输入相反。我们将解析其工作特性和应用。 SEPIC（Single-Ended Primary-Inductor Converter）和 Cuk 变换器： 这些更复杂的拓扑在特定应用中具有独特的优势，例如隔离或负输出电压。我们将简要介绍它们的工作原理和适用场景。 通过对这些基本拓扑的学习，读者将建立起对开关变换器“黑盒子”运作方式的初步认识，为后续的环路设计打下坚实的基础。 第二章：数字控制的崛起与优势 数字控制并非新鲜事物，但其在高频开关变换器领域的应用，正以前所未有的速度改变着行业格局。本章将重点阐述数字控制的引入所带来的变革： 传统模拟控制的局限性： 我们将简要回顾模拟控制（如 PID 控制器）的原理、优点和明显的局限性，例如参数漂移、设计复杂性、功能扩展困难等。 数字控制的核心优势： 深入分析数字控制在高频开关变换器设计中的核心价值： 灵活性与可编程性： 通过软件算法，可以轻松实现复杂的控制策略，调整环路参数，甚至在运行时动态改变控制行为，而无需更改硬件。 集成度高： 利用微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP），可以集成多种功能，如保护、监控、通信等，大大简化了系统设计。 精度与稳定性： 数字控制消除了模拟器件的温漂和参数偏差，能够实现更高的控制精度和更稳定的性能。 智能化与优化： 为实现更高级的功能，如自适应控制、效率优化、故障诊断等提供了可能。 成本效益： 随着数字技术的发展，数字控制方案的成本正逐渐降低，甚至在某些情况下优于复杂的模拟设计。 第三章：数字控制环路设计的关键组件与理论基础 进入数字控制的实际设计领域，理解其关键组件和理论基础至关重要。本章将深入剖析： 采样理论（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）： 这是数字控制的基石。我们将详细解释采样频率、混叠（Aliasing）等概念，以及它们对开关变换器环路稳定性和动态响应的影响。 数字控制器（Digital Controller）： 介绍数字控制器在开关变换器中的作用，包括ADC（模数转换器）的采样、DSP或MCU的计算、以及DAC（数模转换器）的输出。 数字PID控制器： 详细讲解如何在数字域实现PID（比例-积分-微分）控制器，包括离散化方法（如前向欧拉、后向欧拉、Tustin变换等），并分析不同离散化方法的优缺点。 数字补偿网络的设计： 探讨如何在数字域设计零点和极点，以补偿开关变换器的传递函数，实现期望的稳定性和动态响应。我们将引入“数字域”的概念，以及如何将连续域的补偿设计映射到数字域。 量化误差与稳定性： 分析ADC量化误差对环路稳定性的潜在影响，以及如何通过选择合适的ADC分辨率和采样策略来减小误差。 第四章：高频开关变换器环路建模与分析 精确的建模是成功环路设计的先决条件。本章将聚焦于高频开关变换器的建模与分析方法： 状态空间平均模型（State-Space Averaging）： 这是分析开关变换器动态特性的强大工具。我们将详细介绍如何建立降压、升压等基本拓扑的状态空间平均模型，理解其在低频动态分析中的作用。 小信号模型（Small-Signal Model）： 基于状态空间平均模型，推导出开关变换器的小信号模型，以便进行频率域的稳定性分析。 传递函数（Transfer Function）： 求解关键的传递函数，如电压模式控制下的误差放大器到输出电压的传递函数，电流模式控制下的电压反馈环路传递函数等。 闭环系统分析： 利用劳斯判据（Routh-Hurwitz Criterion）、奈奎斯特图（Nyquist Plot）和伯德图（Bode Plot）等工具，分析闭环系统的稳定裕度（增益裕度和相位裕度），并评估其动态响应特性。 数字域的建模与分析： 探讨如何将连续域的模型转换到数字域，进行Z域分析，理解数字控制下的稳定性条件。 第五章：数字控制环路的设计流程与技巧 本章将引导读者进入实际的设计流程，掌握具体的数字控制环路设计技巧： 明确设计目标： 详细阐述在设计开始前需要明确的关键指标，包括稳态精度、动态响应速度、负载瞬态响应、线路瞬态响应、输出电压纹波、以及效率等。 选择合适的数字控制器： 讨论不同类型的数字控制器（MCU、DSP、FPGA）在性能、成本和易用性方面的权衡，以及如何根据具体应用选择合适的控制器。 ADC选型与配置： 强调ADC的采样率、分辨率、量化噪声等参数对环路性能的影响，以及如何根据开关频率和所需精度进行选型。 数字补偿器的设计策略： 基于连续域的补偿设计再映射到数字域： 讲解如何先在连续域设计好补偿器，然后通过离散化方法将其转换为数字补偿器。 直接数字域补偿设计： 介绍如何在Z域直接设计数字补偿器，包括如何设置零点和极点来获得期望的性能。 数字域的PID参数整定： 提供常用的数字PID参数整定方法，如Ziegler-Nichols方法等，以及在数字域的应用。 电流模式控制的数字实现： 详细讲解如何利用数字控制器实现电流模式控制，包括采样电流、计算补偿、以及数字PWM（脉冲宽度调制）输出。电流模式控制在提高瞬态响应和简化环路补偿方面具有显著优势。 特殊控制策略的探讨： 简要介绍一些先进的数字控制策略，如： 模型预测控制（MPC）： 利用系统模型预测未来行为，优化控制输入。 自适应控制： 根据系统参数的变化自动调整控制策略。 基于ARM Cortex-M系列MCU的数字控制实现： 结合实际的硬件平台，探讨如何利用ARM Cortex-M系列MCU实现高效的数字控制。 第六章：实际应用案例与调试技巧 理论最终要回归实践。本章将通过具体的应用案例，展示数字控制在高频开关变换器设计中的实际应用，并分享宝贵的调试经验： 不同功率等级应用的数字控制设计： 低功率应用的通用设计： 例如手机充电器、LED驱动等。 中高功率应用的数字控制： 例如服务器电源、工业电源等，强调其在效率和可靠性方面的优势。 数字电源中的保护与监控功能： 讲解如何利用数字控制器实现过压、过流、过温等保护功能，以及电压、电流、温度等参数的实时监控。 调试与故障排除： 利用示波器和逻辑分析仪进行调试： 讲解如何使用这些工具来观察PWM信号、反馈信号、控制信号等，分析系统行为。 数字控制固件的调试： 分享常用的固件调试方法，如断点、单步执行、查看变量等。 常见问题的诊断与解决： 例如环路不稳定、震荡、响应迟缓、效率低下等问题的分析和对策。 第七章：前沿发展与未来展望 技术永无止境，本章将目光投向高频开关变换器数字控制的未来： GaN（氮化镓）和 SiC（碳化硅）器件在数字控制中的应用： 探讨这些新型功率器件如何与数字控制相结合，进一步提升效率和功率密度。 AI与机器学习在电源设计中的应用： 展望人工智能技术在电源参数优化、故障诊断、甚至自学习控制等方面的潜在应用。 面向物联网（IoT）的低功耗数字电源设计： 探讨如何设计更智能、更节能的数字电源，以满足物联网设备的严苛要求。 软件定义电源（Software-Defined Power）： 展望未来，电源设计将更加灵活和可定制，通过软件定义即可实现多种功能和性能。 本书籍群策群力，集结了众多经验丰富的工程师和研究人员的智慧，旨在为读者提供一个全面、实用、富有启发性的学习平台。我们相信，通过对本书内容的深入学习和实践，您将能够自信地驾驭高频开关变换器的数字控制环路设计，为您的创新项目注入源源不断的动力，引领电力电子技术的新浪潮。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，让我产生了一种久违的“沉浸感”，这主要归功于它在案例分析和仿真验证部分所下的功夫。它不是那种只停留在理论推导层面的教材，而是真正将“设计”二字贯穿始终。作者似乎预设了读者会带着实际项目中的难题来阅读，因此书中提供的每一个设计流程，都像是手把手带着读者走过一个完整的工程项目周期。从最初的规格确定、环路补偿器的初步选型，到最终的验证与调试，每一步骤都提供了详尽的计算方法和对应的仿真结果对比。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的闭环设计，极大地提升了我的学习效率。特别是书中关于数字控制实现的部分，对离散化误差、采样延迟等实际工程中常常被忽略的细节进行了深入剖析，这部分内容对于希望从传统模拟控制转向更灵活、更精确的数字控制的同行来说，简直是金矿。我感觉自己不再是孤立地学习理论，而是真正参与到了一场高水准的工程实践之中。

评分☆☆☆☆☆

初次翻开这本书，我最大的感受是它在内容组织上的匠心独运。作者似乎深谙不同层次读者的需求，从最基础的电力电子学概念开始，逐步深入到复杂的现代控制理论应用。对于我这种在电力电子领域摸爬滚打了一段时间、但理论基础偶尔会感到模糊的工程师来说，这种循序渐进的讲解方式简直是福音。特别是它对开关电源拓扑结构演变过程的梳理，不仅仅是罗列公式，更是结合了实际应用场景的痛点，让读者能清晰地理解为何某些拓扑结构会应运而生，以及它们各自的优缺点和适用范围。书中对于那些看似枯燥的数学模型推导，也处理得相当得当，穿插了大量的图示和工程实例，使得抽象的理论变得具象化，避免了纯理论书籍容易让人产生的“读不下去”的感觉。我尤其欣赏作者在讲解控制环路设计时所展现出的那种务实态度，他没有停留在教科书式的理想化模型上，而是深入探讨了实际器件参数对系统稳定性和动态响应的实际影响，这对于我后续进行硬件迭代和性能优化提供了非常宝贵的参考框架。可以说，这本书为我搭建了一个非常坚实且全面的知识底层结构。

评分☆☆☆☆☆

从一个初级设计者到资深架构师的跨越，往往需要跨越理论与实践之间的鸿沟，而这本书恰恰在这方面搭建了一座坚实的桥梁。它在讲解数字控制实现时，对诸如固定点运算的精度影响、如何有效利用DSP或MCU的资源来加速运算等工程细节的讨论，体现了作者对嵌入式系统和实时控制的深刻理解。很多书籍会把这些“脏活累活”一笔带过，但正是这些细节决定了最终产品的成败。这本书的价值就在于，它把那些在实际调试中耗费大量时间去摸索的经验教训，用清晰的文字和图表总结了出来，极大地压缩了新手的学习曲线。读完之后，我感觉自己不仅掌握了如何“设计”一个控制环路，更重要的是，理解了如何“实现”一个稳定、高效且易于量产的开关电源系统。它教会的不仅是“做什么”，更是“为什么这样做”和“在什么条件下应该这样做”，这种深层次的认知提升是无价的。

评分☆☆☆☆☆

这本书在语言风格上呈现出一种独特的权威感和逻辑性，完全没有那种为了凑字数而堆砌的冗余信息。作者的叙述严谨而精确，每一个术语的定义、每一个公式的推导都有其明确的目的性和背景依据。它对于反馈控制理论中的关键概念，比如波德图分析、根轨迹法在开关电源稳定裕度评估中的应用，进行了极为清晰和富有洞察力的阐述。不同于那种口语化或者过度简化的教程，这本书敢于直面复杂性，并通过结构化的方式将其解构，使得原本高不可攀的控制工程理论变得可理解、可应用。我尤其欣赏作者在比较不同补偿器（如PID、Type II、Type III）时所采用的视角——不仅仅是看其在特定频率范围内的增益和相位表现，而是着眼于它们对系统瞬态响应和抗扰动能力的整体影响。这使得读者在选择控制方案时，能够基于更全面的工程权衡，而不是盲目套用标准模板。

评分☆☆☆☆☆

坦白地说，市面上很多声称是“指南”的书籍，往往在深度上有所欠缺，或者过于偏重某一特定领域。然而，这部作品的广度和深度给我留下了极其深刻的印象。它的覆盖面远远超出了我最初的预期，它没有将数字控制的实现仅仅视为一个简单的“模拟到数字”的转换过程，而是深入探讨了如何利用数字处理的优势，去设计出超越传统模拟限度的、更优异的控制策略。比如，它在处理非线性问题和参数辨识方面的探讨，展现了作者深厚的系统工程功底。对于一个需要处理复杂、多变负载环境的电源系统设计师而言，这种前瞻性的理论支撑至关重要。阅读过程中，我时常需要停下来，反复琢磨其中一些高级概念的深层含义，甚至需要结合其他领域的知识进行横向对比，这表明这本书的知识密度非常高，具有很强的“耐读性”和“挖掘潜力”。它不是读完一遍就能完全消化的快餐读物，更像是一本可以陪伴工程师职业生涯成长的工具书。