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老童 著

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出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787512419001

商品编码：29489893457

包装：平装

出版时间：2016-11-01

基本信息

书名：深入剖析主板电源设计及环路稳定性能

定价：49.00元

作者：老童

出版社：北京航空航天大学出版社

出版日期：2016-11-01

ISBN：9787512419001

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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　　本书共8章，从主板架构到电源设计，从简单的Buck电路原理到多相电源设计，从电源电路的基本结构到微分结构，结合电路信号流程和波形以及动态阻抗的分析，由浅入深，一步一步将读者引向系统电源稳定性能设计中。后重点描述了PCB布局设计，从理论到实践，通过理论指导实践，理论与实践相结合，是一本非常全面的教科书。

　　本书可作为高校或者职高教材以及刚毕业的大学生就业充电的范本，也可供有工作经验的电源设计工程师参考。

目录

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章 主板架构基本介绍…………………………………………………………… 1

1.1 主板的发展历史…………………………………………………………… 1

1.1.1 AT主板…………………………………………………………… 1

1.1.2 BabyAT主板……………………………………………………… 1

1.1.3 ATX主板…………………………………………………………… 2

1.2 主板架构…………………………………………………………………… 2

1.2.1 北桥芯片…………………………………………………………… 2

1.2.2 南桥芯片…………………………………………………………… 2

1.2.3 内存插槽…………………………………………………………… 2

1.2.4 PCIE插槽………………………………………………………… 3

1.2.5 主板总线…………………………………………………………… 3

1.2.6 CPU 介绍…………………………………………………………… 4

1.3 Intel平台主板架构说明…………………………………………………… 5

1.3.1 Intel440主板架构………………………………………………… 5

1.3.2 VIA MVP4主板架构……………………………………………… 5

1.3.3 Intel810/815主板架构…………………………………………… 5

1.3.4 Intel865主板架构………………………………………………… 6

1.3.5 IntelP4主板架构………………………………………………… 6

1.3.6 VR12.0单CPU 主板架构………………………………………… 7

1.3.7 VR12.0双CPU 主板架构………………………………………… 7

1.3.8 IntelVR12.5Denlow平台介绍………………………………… 8

1.4 AMD平台主板架构说明………………………………………………… 9

1.4.1 C32CPU 架构……………………………………………………… 9

1.4.2 G34双CPU 架构………………………………………………… 11

1.5 主板电源接口……………………………………………………………… 11

1.5.1 AT电源…………………………………………………………… 12

1.5.2 ATX电源:输出为20Pi………………………………………… 12

1.5.3 ATX12电源:输出为20Pin+4Pi…………………………… 13

1.5.4 ATX12LN 电源:输出为24Pin+4Pi………………………… 13

第2章 主板电源设计流程规范及功率预算……………………………………… 15

2.1 VR12.0电气特性………………………………………………………… 17

2.2 VR12.5电气特性………………………………………………………… 22

2.2.1 CPU 供电………………………………………………………… 22

2.2.2 RAM 供电………………………………………………………… 23

2.2.3 PCH 供电………………………………………………………… 24

2.2.4 1GB网口供电…………………………………………………… 24

2.2.5 Dual10GbEControllerLa…………………………………… 25

2.2.6 BMC供电………………………………………………………… 25

2.2.7 时钟芯片供电……………………………………………………… 26

2.2.8 PCIE 插槽供电…………………………………………………… 26

2.2.9 系统散热风扇供电………………………………………………… 27

2.2.10 SAS硬盘供电…………………………………………………… 27

2.2.11 SATA 硬盘供电………………………………………………… 27

2.2.12 SSD硬盘供电…………………………………………………… 27

2.2.13 CPLD供电……………………………………………………… 27

2.2.14 SASController供电…………………………………………… 28

2.2.15 PHY为BMC供电……………………………………………… 28

2.2.16 TPM Module供电……………………………………………… 28

2.3 VR13电气特性…………………………………………………………… 29

2.3.1 CPU 供电………………………………………………………… 29

2.3.2 记忆体RAM 供电………………………………………………… 30

2.3.3 PCH 供电………………………………………………………… 31

2.3.4 BMC供电………………………………………………………… 32

2.4 主板电源设计流程………………………………………………………… 33

2.5 主板硬件器件功率预算…………………………………………………… 35

2.5.1 CPU 供电电气规格及功率预算………………………………… 35

2.5.2 MemoryRAM 功率预算………………………………………… 36

2.5.3 硬盘功率预算……………………………………………………… 36

2.5.4 PCH 功耗预算…………………………………………………… 39

2.5.5 BMC功耗预算…………………………………………………… 39

2.5.6 硬盘扩展器/控制器功率预算…………………………………… 39

2.5.7 10G以太网控制器功率预算……………………………………… 39

2.5.8 GBE控制器功率预算…………………………………………… 40

2.6 主板电源启动时序………………………………………………………… 40

2.7 主板电源介绍……………………………………………………… 41

第3章 Buck电路基本理论………………………………………………………… 43

3.1 基本原理…………………………………………………………………… 43

3.2 输入电感的选择…………………………………………………………… 46

3.3 输入电容的选择…………………………………………………………… 48

3.3.1 主板电源设计使用的电容………………………………………… 48

3.3.2 电容等效电路的微分结构………………………………………… 51

3.4 开关场效应管的选择……………………………………………………… 55

3.5 输出电感的选择…………………………………………………………… 62

3.5.1 电感的计算………………………………………………………… 62

3.5.2 选择评估…………………………………………………………… 63

3.5.3 输出电感的材料…………………………………………………… 63

3.5.4 名词术语…………………………………………………………… 64

3.6 输出电容的选择…………………………………………………………… 64

3.7 RC缓冲网络参数的选择………………………………………………… 66

3.8 RCVboot的选择…………………………………………………………… 70

3.9 多相大功率Buck电路…………………………………………………… 72

第4章 主板CPU 负载特性………………………………………………………… 74

4.1 主板CPU 负载特性及阻抗要求………………………………………… 75

4.2 主板CPU 线性负载特性………………………………………………… 78

4.3 主板CPU 动态VID特性………………………………………………… 81

4.4 主板CPU 测试工具简介………………………………………………… 82

4.4.1 VR12CPU 测试工具…………………………………………… 83

4.4.2 VR12.5CPU 测试工具………………………………………… 84

4.4.3 第四代IntelCPU 测试工具……………………………………… 86

4.5 主板CPU 测试要求……………………………………………………… 87

4.6 主板CPU Memory测试要求…………………………………………… 87

4.7 主板Buck电路其他测试要求…………………………………………… 88

第5章 主板Buck电路环路稳定性能分析……………………………………… 89

5.1 环路稳定性能的规格要求………………………………………………… 89

5.2 RC补偿参数设计分析…………………………………………………… 90

5.2.1 RC积分电路……………………………………………………… 90

5.2.2 RC微分电路……………………………………………………… 91

5.3 输入电感、电容对环路的影响…………………………………………… 100

5.4 输出电感、电容对环路的影响…………………………………………… 103

5.4.1 输出电感对环路稳定性能的影响……………………………… 103

5.4.2 输出电容对环路稳定性能的影响……………………………… 105

5.4.3 CPULoadline与DIMM Loadline对环路稳定性能的影响… 105

5.5 补偿回路相位计算……………………………………………………… 108

5.6 Buck电路环路稳定性能特征…………………………………………… 111

5.7 LDO电路环路稳定性能特征…………………………………………… 115

5.7.1 LDO零极点的分布……………………………………………… 115

5.7.2 影响LDO环路不稳定的根本原因…………………………… 117

5.8 环路测试原理…………………………………………………………… 118

5.8.1 环路测试仪器Agilent4395A ………………………………… 118

5.8.2 测试原理………………………………………………………… 118

5.8.3 测试方法………………………………………………………… 120

5.8.4 测试任务………………………………………………………… 121

5.9 环路调试………………………………………………………………… 122

5.10 数字PID的调试说明………………………………………………… 124

5.10.1 PID介绍………………………………………………………… 125

5.10.2 PID控制器的调试方法………………………………………… 126

5.10.3 PID实际应用…………………………………………………… 126

5.10.4 PID控制幅频特性图…………………………………………… 127

第6章 Buck电路反馈回路调节原理及动态分析……………………………… 131

6.1 反馈回路的种类………………………………………………………… 132

6.2 反馈回路的调节特性与本质…………………………………………… 133

6.2.1 电压反馈回路…………………………………………………… 133

6.2.2 电流反馈回路…………………………………………………… 135

6.3 电压、电流反馈的测试原理……………………………………………… 140

6.4 反馈回路对动态响应的影响…………………………………………… 141

6.5 TID Cap2模式环路稳定性能分析…………………………………… 147

6.5.1 控制方式简介…………………………………………………… 147

6.5.2 参数设定………………………………………………………… 148

6.5.3 Rr、Cr、Cc 的计算………………………………………………… 151

第7章 主板电源PCB布局的设计要求………………………………………… 155

7.1 主板PCB布局工具简介………………………………………………… 155

7.2 LDO电路组件PCB布局要求………………………………………… 157

7.2.1 输入电容的PCB布局要求……………………………………… 158

7.2.2 输出电容的PCB布局要求……………………………………… 160

7.2.3 反馈信号走线的PCB布局要求………………………………… 161

7.3 Buck电路组件PCB布局要求………………………………………… 162

7.3.1 输入电感的PCB布局要求……………………………………… 162

7.3.2 输入电容的PCB布局要求……………………………………… 165

7.3.3 场效应管的PCB布局要求……………………………………… 170

7.3.4 输出电感的PCB布局要求……………………………………… 174

7.3.5 输出电容的PCB布局要求……………………………………… 176

7.4 信号检测以及SVID与PMBUS的走线要求………………………… 181

7.5 PCB电源层设计及切割要求…………………………………………… 184

第8章 主板电源仿真……………………………………………………………… 185

8.1 SIMPLIS软件的应用…………………………………………………… 186

8.2 元器件调用及设定……………………………………………………… 187

8.3 原理图设计说明………………………………………………………… 191

8.4 子电路的定义…………………………………………………………… 205

8.5 主板Buck电源仿真说明……………………………………………… 211

8.6 主板电源模型的建立及仿真…………………………………………… 212

附录A 名词术语解释……………………………………………………………… 218

附录B 版权声明…………………………………………………………………… 221

作者介绍

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文摘

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序言

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【XH】 深入剖析主板电源设计及环路稳定性能 一、引言：数字时代的脉搏——电源设计的核心地位 在当今信息技术飞速发展的时代，电子设备已渗透到生活的方方面面。从我们手中轻巧的智能手机，到支撑庞大互联网运作的服务器集群，其核心驱动力都离不开稳定、高效的电力供应。而在这背后，一个至关重要的工程领域——电源设计，扮演着“幕后英雄”的角色。尤其对于集成了海量高性能芯片的主板而言，电源设计的好坏，直接决定了整个系统的性能、稳定性、功耗以及最终的使用体验。 本书并非单纯的技术手册，而是一次深入的探索之旅，旨在揭示隐藏在主板电源设计各个环节的奥秘。我们将从最基础的原理出发，逐步深入到复杂的实际应用，探讨如何设计出兼具效率、可靠性与稳定性的主板电源系统。本书的核心，在于“深入剖析”，这意味着我们将不仅仅停留在表面概念，而是会仔细审视每一个设计决策背后的逻辑，理解其对整体性能的影响，并重点关注那些决定系统成败的关键——环路稳定性的设计与优化。 二、主板电源设计的基石：理论与实践的融合 要理解主板电源设计，首先需要建立起坚实的理论基础。这包括但不限于： 电能转换原理： 从交流到直流，DC-DC转换器的基本拓扑（如Buck、Boost、Buck-Boost）及其工作模式（ CCM, DCM）。我们将详细讲解这些拓扑的电流电压关系、效率影响因素以及在主板设计中的应用场景。例如，为何主板上普遍采用多相Buck变换器来驱动CPU和GPU，其背后的效率和瞬态响应优势是什么。 功率器件的选择与应用： MOSFET、二极管、电感、电容等关键元器件的特性、选型原则以及在不同工作条件下的行为。我们会探讨如何根据电压、电流、频率、温度等参数来选择最合适的功率器件，并分析器件的寄生参数如何影响电路性能。 控制理论基础： PID控制的原理及其在电源管理中的应用。理解误差放大器、补偿网络的设计，以及如何通过调整控制参数来优化瞬态响应和稳定性。我们将深入分析不同补偿方法的优劣，以及它们如何影响系统的动态性能。 电磁兼容性（EMC）与电磁干扰（EMI）： 电源设计是EMI的主要源头之一。本书将探讨EMI的产生机理、传播途径，以及如何通过PCB布局、滤波电路、屏蔽等技术来抑制EMI，满足产品认证要求。 理论知识是指导实践的灯塔，但真正的挑战在于将其转化为可行的设计。本书将结合大量实际应用案例，详细阐述： 电压轨的规划与设计： 主板上存在多种不同的电压轨，如CPU Vcore、内存VCCSA/VCCIO、GPU供电、芯片组供电等，每种电压轨都有其特定的供电需求和动态特性。我们将分析这些电压轨的特点，探讨如何根据芯片的功耗曲线、瞬态响应要求来设计相应的电源转换器。 多相供电技术的应用： 现代高性能CPU和GPU需要极高的瞬态电流响应能力。本书将深入解析多相Buck变换器的工作原理、载波倍频技术、均流控制策略，以及如何通过增加相数来提高效率、降低纹波和改善瞬态性能。 电源效率的优化： 在功耗日益受到关注的今天，提高电源效率至关重要。我们将探讨开关电源效率的影响因素，如开关损耗、传导损耗、磁芯损耗等，并介绍各种提高效率的策略，如低Rds(on)MOSFET、同步整流、轻载模式优化、数字电源控制等。 PCB布局与布线的重要性： 合理的PCB布局是实现高性能电源设计的关键。本书将详细讲解功率回路的最小化、地线的设计、去耦电容的放置、信号与电源隔离等重要原则，以及这些原则如何直接影响电源的稳定性和EMI性能。 三、环路稳定性的深度解析：系统可靠性的生命线 在所有电源设计要素中，环路稳定性无疑是最具挑战性也最关键的一环。一个不稳定的电源环路，轻则导致系统性能下降，重则引发器件损坏甚至整个系统崩溃。本书将以“环路稳定性”为核心，进行深度剖析： 控制环路的数学模型： 理解控制环路的传递函数、零极点分析、伯德图的绘制与解读。我们将从数学模型出发，建立对环路稳定性的直观认识。 补偿网络的设计与调优： 补偿网络是稳定控制环路的关键。我们将详细讲解不同类型的补偿器（如Type II, Type III补偿器）的设计原理，分析补偿器参数对系统瞬态响应、稳态精度和稳定裕度的影响。 瞬态响应分析： 瞬态响应是指电源在负载发生突变时，输出电压变化的幅度和恢复速度。本书将深入分析瞬态响应的影响因素，如输出电容的ESR、电感的电感值、补偿网络的参数等，并介绍如何设计出满足严苛瞬态要求的电源。 稳定性裕度的概念与评估： 增益裕度和相位裕度是衡量系统稳定性的重要指标。我们将详细讲解如何通过伯德图来评估系统的稳定裕度，以及如何调整补偿网络来达到足够的裕度，确保系统在各种工作条件下都能稳定运行。 实际应用中的挑战与技巧： 在实际主板设计中，由于寄生参数、PCB布局、元器件的非理想特性等因素，环路稳定性设计会面临诸多挑战。本书将分享如何在复杂环境中优化补偿网络，解决实际设计中遇到的稳定性问题，例如如何处理寄生电感和寄生电容对环路的影响。 数字电源控制与环路稳定性： 随着技术的发展，数字电源控制日益普及。我们将探讨数字电源在环路设计上的独特性，如数字PID的实现、自适应补偿技术、以及如何利用数字平台进行更灵活的环路调优。 四、进阶主题与前沿展望 除了核心的电源设计与环路稳定性，本书还将触及一些进阶主题与前沿技术： 电源管理IC（PMIC）的设计与应用： 讲解PMIC的架构、功能以及在集成度更高、功耗管理更精细的主板设计中的作用。 高级滤波技术： 探讨共模/差模噪声的抑制，多级滤波器的设计，以及针对特定频率噪声的滤波方案。 热管理与电源设计： 分析电源设计中的发热源，讲解如何通过合理的布局、散热片设计、以及功率器件的选择来优化散热性能。 可靠性设计与失效分析： 探讨电源设计中的可靠性考量，如应力分析、寿命预测，以及常见失效模式的分析与预防。 新兴技术趋势： 简要探讨GaN、SiC等新型功率器件在电源设计中的应用前景，以及对未来主板电源设计可能带来的变革。 五、结论：赋能未来，驱动创新 【XH】 深入剖析主板电源设计及环路稳定性能，旨在为广大电子工程师、技术研究者以及相关领域的学生提供一个全面、深入的学习平台。我们希望通过这本书，能够帮助读者理解主板电源设计的复杂性与重要性，掌握扎实的理论知识和实用的设计技巧，尤其能够精准地掌握环路稳定性的设计与优化方法，从而在实际工作中能够设计出更可靠、更高效、更具竞争力的电子产品。 在这个日新月异的科技时代，每一次的性能突破，每一次的用户体验提升，都离不开强大的电力支撑。本书希望能成为您在电源设计领域前行道路上的得力助手，赋能您的创新，驱动技术的进步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排方式，打破了我对传统技术书籍那种刻板印象的认知。它不仅仅是一本理论手册，更像是一部融合了实战经验的案例研究集。作者似乎毫不吝啬地公开了一些在实际产品设计中遭遇的“陷阱”和“血泪教训”，并详细剖析了如何通过系统的设计方法论来规避它们。比如，在介绍如何应对EMI问题时，书中不仅仅停留在L-C滤波器的选择上，而是深入到了磁珠的选型、地平面分割的艺术，甚至讨论了PCB层叠对共模噪声的影响。这些内容，往往需要工程师在项目进行到后期、出现问题时才摸索出来，而这本书却将其前置，让读者能够“防患于未然”。我特别喜欢书中那种“为什么不用”的论述，它不仅告诉你A方法好，还解释了为什么B方法在特定场景下会导致系统崩溃。这种批判性思维的训练，对于培养下一代电源设计师的架构能力至关重要。读起来，你会感觉自己的技术视野被极大地拓宽了，不再局限于单一模块的优化，而是开始以系统整体的视角来审视电源设计这个复杂的工程。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书的内页，一股扑面而来的专业气息让人欲罢不能。我尤其欣赏作者在阐述复杂概念时所展现出的那种匠人精神，每个公式的推导，每张原理图的标注，都力求精确无误，仿佛作者本人就是坐在我旁边手把手指导一样。最让我感到惊喜的是，书中似乎花了大篇幅去讨论了现代高频电源设计中那些容易被忽视的“细节魔鬼”——比如不同封装MOSFET的寄生参数对开关损耗和噪声的影响，以及PCB走线电感对电流纹波的微妙作用。这种对细节的执着，是区分普通工程师和顶尖专家的关键所在。我记得其中有一个章节专门对比了两种不同的电流采样方法在不同负载条件下的精度差异，配上了大量的示波器抓图和数据分析，这比我过去几年积累的实战经验都要来得直接和有效。对于那些希望从“能用”跨越到“好用、稳定”层级的读者来说，这本书无疑提供了一张通往卓越的捷径。它没有过多渲染华丽的术语，而是用扎实的数据和严谨的逻辑，构建了一个坚不可摧的知识堡垒。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度，完全超出了我对一本关于“主板电源”专著的预期。它不仅仅聚焦于电压调节的本身，更将电源视为整个电子系统性能的“中枢神经”。我尤其赞赏作者对“可靠性设计”和“热管理”的融入，这是很多纯理论书籍会忽略的环节。例如，书中关于“温度漂移对精密基准源的影响”的讨论，就非常到位，它提醒我们，一个在室温下完美的环路，在设备长时间工作产生的热斑环境中可能会完全失效。这种将热力学、材料学与电路设计融为一炉的思维模式，是这本书最宝贵的财富之一。它强迫你跳出舒适区，去思考那些在实验室环境下容易被忽略的、但在真实世界中决定产品生死的因素。总而言之，这本书像是一份跨越了十几年工程经验的浓缩精华，它不只是提供知识，更是在传递一种严谨、全面的系统设计哲学，是每一个致力于设计高性能、高可靠性电子产品的专业人士书架上不可或缺的参考宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名真是让人眼前一亮，一看到“XH”这个前缀，就知道这绝对不是那种人云亦云的入门读物，而是直指核心、深挖技术细节的硬核干货。我刚拿到手时，光是目录就花了不少时间去细品，感觉作者在知识体系的构建上花了大功夫，从最基础的拓扑结构讲起，到复杂的控制算法和电磁兼容性设计，层层递进，逻辑清晰得像一张精心绘制的工程蓝图。尤其让我印象深刻的是，书中对“环路稳定性”的讲解，那种抽丝剥茧的分析方法，简直是教科书级别的范本。很多教材只是简单地介绍波特图和相位裕度，但这本书深入探讨了如何在实际PCB布局和元件选型中优化这些参数，甚至用到了很多高级的S参数分析工具来佐证理论，这对于我们这些常年在研发一线和仿真模型较劲的工程师来说，简直是如获至宝。读完第一部分，我对开关电源的动态响应有了全新的认识，不再是停留在理论层面，而是能更直观地理解瞬态过程中的电压跌落和过冲是如何形成的，以及如何通过精确调整补偿网络来抑制它们。这不仅仅是教你怎么做，更是告诉你为什么这样做会有效，这种深度解读，在市面上非常罕见。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的文字风格非常独特，它不像某些学术著作那样晦涩难懂，而是带有一种老派工程师的朴实和自信。作者的叙述节奏把握得恰到好处，在需要深入推理的地方会放慢速度，提供详尽的数学推导，而在讲解工程实践时，则会变得简洁有力，直击要害。我个人对书中关于“非线性控制”与“数字电源”相结合的部分非常感兴趣，作者似乎在这方面有独到的见解，通过仿真结果清晰地展示了数字环路补偿在应对快速变化的输入电压和负载时的优越性，同时也没有回避数字控制中量化误差和采样延迟带来的挑战。这种平衡、客观的论述态度，让读者能够建立起一个全面且不带偏见的认知框架。它不会把你塑造成某个特定技术的狂热信徒，而是训练你成为一个能够根据具体需求，选择最合适工具的工程师。读完后，我立刻动手修改了手头正在进行的一个项目中的补偿网络，效果立竿见影，这直接证明了书中所授知识的实用价值。