深入剖析主闆電源設計及環路穩定性能 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

老童 著

圖書標籤:

• 主闆電源
• 電源設計
• 環路穩定性
• 電力電子
• 開關電源
• 控製電路
• 電路分析
• SMPS
• 電源管理
• 硬件設計

齣版社： 北京航空航天大學齣版社

ISBN：9787512419001

版次：1

商品編碼：12010923

包裝：平裝

叢書名： 工程師經驗手記

開本：16開

齣版時間：2016-11-01

用紙：膠版紙

內容簡介

　　本書共8章，從主闆架構到電源設計，從簡單的Buck電路原理到多相電源設計，從電源電路的基本結構到微分結構，結閤電路信號流程和波形以及動態阻抗的分析，由淺入深，一步一步將讀者引嚮係統電源穩定性能設計中。最後重點描述瞭PCB布局設計，從理論到實踐，通過理論指導實踐，理論與實踐相結閤，是一本非常全麵的教科書。

　　本書可作為高校或者職高教材以及剛畢業的大學生就業充電的範本，也可供有工作經驗的電源設計工程師參考。

目錄

第1章 主闆架構基本介紹…………………………………………………………… 1

1.1 主闆的發展曆史…………………………………………………………… 1

1.1.1 AT主闆…………………………………………………………… 1

1.1.2 BabyAT主闆……………………………………………………… 1

1.1.3 ATX主闆…………………………………………………………… 2

1.2 主闆架構…………………………………………………………………… 2

1.2.1 北橋芯片…………………………………………………………… 2

1.2.2 南橋芯片…………………………………………………………… 2

1.2.3 內存插槽…………………………………………………………… 2

1.2.4 PCIE插槽………………………………………………………… 3

1.2.5 主闆總綫…………………………………………………………… 3

1.2.6 CPU 介紹…………………………………………………………… 4

1.3 Intel平颱主闆架構說明…………………………………………………… 5

1.3.1 Intel440主闆架構………………………………………………… 5

1.3.2 VIA MVP4主闆架構……………………………………………… 5

1.3.3 Intel810/815主闆架構…………………………………………… 5

1.3.4 Intel865主闆架構………………………………………………… 6

1.3.5 IntelP4主闆架構………………………………………………… 6

1.3.6 VR12.0單CPU 主闆架構………………………………………… 7

1.3.7 VR12.0雙CPU 主闆架構………………………………………… 7

1.3.8 IntelVR12.5Denlow平颱介紹………………………………… 8

1.4 AMD平颱主闆架構說明………………………………………………… 9

1.4.1 C32CPU 架構……………………………………………………… 9

1.4.2 G34雙CPU 架構………………………………………………… 11

1.5 主闆電源接口……………………………………………………………… 11

1.5.1 AT電源…………………………………………………………… 12

1.5.2 ATX電源:輸齣為20Pin ………………………………………… 12

1.5.3 ATX12電源:輸齣為20Pin+4Pin …………………………… 13

1.5.4 ATX12LN 電源:輸齣為24Pin+4Pin ………………………… 13

第2章 主闆電源設計流程規範及功率預算……………………………………… 15

2.1 VR12.0電氣特性………………………………………………………… 17

2.2 VR12.5電氣特性………………………………………………………… 22

2.2.1 CPU 供電………………………………………………………… 22

2.2.2 RAM 供電………………………………………………………… 23

2.2.3 PCH 供電………………………………………………………… 24

2.2.4 1GB網口供電…………………………………………………… 24

2.2.5 Dual10GbEControllerLan …………………………………… 25

2.2.6 BMC供電………………………………………………………… 25

2.2.7 時鍾芯片供電……………………………………………………… 26

2.2.8 PCIE 插槽供電…………………………………………………… 26

2.2.9 係統散熱風扇供電………………………………………………… 27

2.2.10 SAS硬盤供電…………………………………………………… 27

2.2.11 SATA 硬盤供電………………………………………………… 27

2.2.12 SSD硬盤供電…………………………………………………… 27

2.2.13 CPLD供電……………………………………………………… 27

2.2.14 SASController供電…………………………………………… 28

2.2.15 PHY為BMC供電……………………………………………… 28

2.2.16 TPM Module供電……………………………………………… 28

2.3 VR13電氣特性…………………………………………………………… 29

2.3.1 CPU 供電………………………………………………………… 29

2.3.2 記憶體RAM 供電………………………………………………… 30

2.3.3 PCH 供電………………………………………………………… 31

2.3.4 BMC供電………………………………………………………… 32

2.4 主闆電源設計流程………………………………………………………… 33

2.5 主闆硬件器件功率預算…………………………………………………… 35

2.5.1 CPU 供電電氣規格及功率預算………………………………… 35

2.5.2 MemoryRAM 功率預算………………………………………… 36

2.5.3 硬盤功率預算……………………………………………………… 36

2.5.4 PCH 功耗預算…………………………………………………… 39

2.5.5 BMC功耗預算…………………………………………………… 39

2.5.6 硬盤擴展器/控製器功率預算…………………………………… 39

2.5.7 10G以太網控製器功率預算……………………………………… 39

2.5.8 GBE控製器功率預算…………………………………………… 40

2.6 主闆電源啓動時序………………………………………………………… 40

2.7 主闆電源性價比介紹……………………………………………………… 41

第3章 Buck電路基本理論………………………………………………………… 43

3.1 基本原理…………………………………………………………………… 43

3.2 輸入電感的選擇…………………………………………………………… 46

3.3 輸入電容的選擇…………………………………………………………… 48

3.3.1 主闆電源設計使用的電容………………………………………… 48

3.3.2 電容等效電路的微分結構………………………………………… 51

3.4 開關場效應管的選擇……………………………………………………… 55

3.5 輸齣電感的選擇…………………………………………………………… 62

3.5.1 電感的計算………………………………………………………… 62

3.5.2 選擇評估…………………………………………………………… 63

3.5.3 輸齣電感的材料…………………………………………………… 63

3.5.4 名詞術語…………………………………………………………… 64

3.6 輸齣電容的選擇…………………………………………………………… 64

3.7 RC緩衝網絡參數的選擇………………………………………………… 66

3.8 RCVboot的選擇…………………………………………………………… 70

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

第4章 主闆CPU 負載特性………………………………………………………… 74

4.1 主闆CPU 負載特性及阻抗要求………………………………………… 75

4.2 主闆CPU 綫性負載特性………………………………………………… 78

4.3 主闆CPU 動態VID特性………………………………………………… 81

4.4 主闆CPU 測試工具簡介………………………………………………… 82

4.4.1 VR12CPU 測試工具…………………………………………… 83

4.4.2 VR12.5CPU 測試工具………………………………………… 84

4.4.3 第四代IntelCPU 測試工具……………………………………… 86

4.5 主闆CPU 測試要求……………………………………………………… 87

4.6 主闆CPU Memory測試要求…………………………………………… 87

4.7 主闆Buck電路其他測試要求…………………………………………… 88

第5章 主闆Buck電路環路穩定性能分析……………………………………… 89

5.1 環路穩定性能的規格要求………………………………………………… 89

5.2 RC補償參數設計分析…………………………………………………… 90

5.2.1 RC積分電路……………………………………………………… 90

5.2.2 RC微分電路……………………………………………………… 91

5.3 輸入電感、電容對環路的影響…………………………………………… 100

5.4 輸齣電感、電容對環路的影響…………………………………………… 103

5.4.1 輸齣電感對環路穩定性能的影響……………………………… 103

5.4.2 輸齣電容對環路穩定性能的影響……………………………… 105

5.4.3 CPULoadline與DIMM Loadline對環路穩定性能的影響… 105

5.5 補償迴路相位計算……………………………………………………… 108

5.6 Buck電路環路穩定性能特徵…………………………………………… 111

5.7 LDO電路環路穩定性能特徵…………………………………………… 115

5.7.1 LDO零極點的分布……………………………………………… 115

5.7.2 影響LDO環路不穩定的根本原因…………………………… 117

5.8 環路測試原理…………………………………………………………… 118

5.8.1 環路測試儀器Agilent4395A ………………………………… 118

5.8.2 測試原理………………………………………………………… 118

5.8.3 測試方法………………………………………………………… 120

5.8.4 測試任務………………………………………………………… 121

5.9 環路調試………………………………………………………………… 122

5.10 數字PID的調試說明………………………………………………… 124

5.10.1 PID介紹………………………………………………………… 125

5.10.2 PID控製器的調試方法………………………………………… 126

5.10.3 PID實際應用…………………………………………………… 126

5.10.4 PID控製幅頻特性圖…………………………………………… 127

第6章 Buck電路反饋迴路調節原理及動態分析……………………………… 131

6.1 反饋迴路的種類………………………………………………………… 132

6.2 反饋迴路的調節特性與本質…………………………………………… 133

6.2.1 電壓反饋迴路…………………………………………………… 133

6.2.2 電流反饋迴路…………………………………………………… 135

6.3 電壓、電流反饋的測試原理……………………………………………… 140

6.4 反饋迴路對動態響應的影響…………………………………………… 141

6.5 TID Cap2模式環路穩定性能分析…………………………………… 147

6.5.1 控製方式簡介…………………………………………………… 147

6.5.2 參數設定………………………………………………………… 148

6.5.3 Rr、Cr、Cc 的計算………………………………………………… 151

第7章 主闆電源PCB布局的設計要求………………………………………… 155

7.1 主闆PCB布局工具簡介………………………………………………… 155

7.2 LDO電路組件PCB布局要求………………………………………… 157

7.2.1 輸入電容的PCB布局要求……………………………………… 158

7.2.2 輸齣電容的PCB布局要求……………………………………… 160

7.2.3 反饋信號走綫的PCB布局要求………………………………… 161

7.3 Buck電路組件PCB布局要求………………………………………… 162

7.3.1 輸入電感的PCB布局要求……………………………………… 162

7.3.2 輸入電容的PCB布局要求……………………………………… 165

7.3.3 場效應管的PCB布局要求……………………………………… 170

7.3.4 輸齣電感的PCB布局要求……………………………………… 174

7.3.5 輸齣電容的PCB布局要求……………………………………… 176

7.4 信號檢測以及SVID與PMBUS的走綫要求………………………… 181

7.5 PCB電源層設計及切割要求…………………………………………… 184

第8章 主闆電源仿真……………………………………………………………… 185

8.1 SIMPLIS軟件的應用…………………………………………………… 186

8.2 元器件調用及設定……………………………………………………… 187

8.3 原理圖設計說明………………………………………………………… 191

8.4 子電路的定義…………………………………………………………… 205

8.5 主闆Buck電源仿真說明……………………………………………… 211

8.6 主闆電源模型的建立及仿真…………………………………………… 212

附錄A 名詞術語解釋……………………………………………………………… 218

附錄B 版權聲明…………………………………………………………………… 221

深入剖析主闆電源設計及環路穩定性能 內容概要 本書旨在為廣大電子工程師、硬件開發人員及相關專業學生提供一份全麵而深入的關於主闆電源設計及其環路穩定性的理論與實踐指南。我們跳脫齣基礎概念的重復，直擊工程設計中的核心挑戰與關鍵技術，以嚴謹的學術態度和豐富的工程經驗，揭示主闆電源係統從設計、仿真到優化的全貌。 第一部分：主闆電源架構與關鍵挑戰 本部分將首先建立讀者對現代主闆電源係統宏觀架構的清晰認知。我們將詳細剖析不同類型的主闆（如高性能遊戲主闆、服務器主闆、嵌入式主闆等）在電源需求上的差異性，以及這些差異如何驅動電源拓撲的選擇。 VRM（電壓調節模塊）架構演進與對比： 從傳統的單相、多相PWM控製器，到現代CPU/GPU對瞬態響應和效率提齣的極緻要求，我們將深入探討多相Buck變換器、DC-DC轉換器在主闆上的應用。重點分析不同相數、不同控製模式（如PWM、PFM、混閤模式）的優劣，以及它們如何滿足動態負載變化的需求。 高效能與高密度挑戰： 隨著電子設備的功耗密度不斷攀升，如何在有限的空間內實現高效的能量轉換，同時保證散熱和可靠性，成為一項艱巨的任務。本書將分析各種功率器件（MOSFET、電感、電容）在高性能主闆電源設計中的選型考量，包括導通損耗、開關損耗、封裝技術、熱管理方案等。 EMI（電磁乾擾）與可靠性設計： 高頻開關電源是潛在的EMI源，而主闆電源的穩定運行是整個係統穩定工作的基石。我們將深入研究EMI的産生機理，並提供從PCB布局、元件布局、濾波設計到屏蔽等一係列抑製EMI的有效手段。同時，針對主闆電源的長期可靠性，將探討過壓、過流、過溫保護機製的設計，以及元件的壽命預測與可靠性設計原則。 第二部分：核心技術解析與原理深度挖掘 本部分將是本書的理論核心，我們不滿足於錶麵描述，而是深入其內在的物理原理和工程實現細節。 DC-DC變換器工作原理與模型： 詳細講解Buck、Boost、Buck-Boost等DC-DC變換器在主闆電源係統中的具體應用，以及其小信號模型、傳遞函數推導。重點關注瞬態響應分析，包括負載突變時的電壓跌落（Vdroop）和恢復時間，以及這些參數對CPU/GPU性能和穩定性的影響。 PWM控製器內部機製： 深入剖析當前主流PWM控製器的核心功能模塊，如誤差放大器、斜坡補償、死區時間控製、軟啓動、均流控製等。我們將通過實際電路分析，講解這些模塊如何協同工作，實現精確的電壓調節和穩定的環路響應。 功率電感與電容的特性與選型： 詳細分析不同類型電感（如鐵芯、錳鋅鐵氧體、閤金粉末）和電容（如陶瓷電容、固態電容、電解電容）的頻率特性、ESR（等效串聯電阻）、ESL（等效串聯電感）、紋波電流承受能力等參數，並結閤具體應用場景，指導讀者如何進行最優選型。 PCB布局與布綫對性能的影響： PCB布局是電源設計中至關重要的一環，錯誤的布局可能導緻嚴重的性能下降和EMI問題。我們將從高速信號完整性、電源完整性（PI）的角度，詳細講解高功率電流迴路的最小化、信號綫與功率綫的隔離、去耦電容的布局技巧、地綫的設計等。 第三部分：環路穩定性分析與設計 環路穩定性是電源設計中最具挑戰性的環節之一，直接決定瞭電源的性能和可靠性。本部分將提供一套係統性的分析方法和設計流程。 控製環路基本概念與頻率響應： 詳細介紹PID控製器在DC-DC變換器中的應用，包括其增益和相位裕度的定義。我們將通過Bode圖、Nyquist圖等工具，深入理解控製環路的頻率響應特性，並建立起增益裕度與相位裕度對穩定性的影響的直觀認識。 傳遞函數推導與係統辨識： 針對主闆電源中的典型拓撲，提供詳細的傳遞函數推導方法。同時，介紹通過實驗測量或仿真軟件進行係統辨識的技術，以獲取準確的係統模型，為環路設計提供基礎。 補償網絡設計與優化： 詳細闡述多種補償網絡的設計方法，包括Type II、Type III補償器。我們將通過案例分析，演示如何根據係統的開環傳遞函數，選擇閤適的補償元件，以達到所需的增益和相位裕度。重點講解如何處理不同負載條件下環路穩定性的變化。 瞬態響應優化與設計權衡： 在保證穩定性的前提下，如何優化瞬態響應是設計的關鍵。本書將探討在不同設計目標（如最快響應、最小過衝、最小跌落）之間進行權衡的方法，並提供一些工程上的優化技巧。 仿真工具的應用與實踐： 結閤業內常用的仿真工具（如PSIM, LTspice, Cadence Allegro等），演示如何建立主闆電源模型，進行環路分析和仿真驗證。通過仿真結果的解讀，幫助讀者加深對理論知識的理解，並提高工程設計效率。 第四部分：進階主題與工程實踐 在掌握瞭基礎理論和核心技術後，本部分將帶領讀者探索更深入的工程問題和前沿技術。 新型電源拓撲與控製策略： 介紹適用於未來高性能主闆的先進電源拓撲，如多相位交錯同步整流Buck變換器、LLC諧振變換器在輔助電源中的應用等。探討數字電源控製的優勢及其在主闆電源設計中的發展趨勢。 電源管理IC（PMIC）的應用與集成： 詳細介紹主闆上集成的PMIC功能，包括電源序列控製、電壓軌管理、故障診斷等。分析PMIC的設計思路和與分離式功率器件的協同工作模式。 電源完整性（PI）的係統性設計： 將電源設計提升到係統層麵，全麵探討主闆的電源完整性問題。包括電源分配網絡（PDN）的阻抗匹配、濾波器的設計、高頻噪聲的抑製以及如何通過仿真工具進行PDN分析。 實際案例分析與疑難解答： 收集並分析若乾實際主闆電源設計中的經典案例，包括成功的設計經驗和遇到的挑戰。對常見的設計難題和工程實踐中的誤區進行深入剖析，並提供切實可行的解決方案。 目標讀者： 從事主闆、計算機硬件、服務器、高性能計算、嵌入式係統等領域研發的工程師。 對電源設計和電力電子技術感興趣的在校學生，尤其是研究生。 産品經理、技術支持工程師等需要瞭解主闆電源技術細節的專業人士。 本書將以清晰的邏輯、嚴謹的推導、豐富的圖錶和實例，力求讓讀者在深入理解主闆電源設計原理的同時，能夠掌握解決實際工程問題的能力。無論您是初涉電源設計領域，還是希望在特定方嚮上進一步深造，本書都將是您寶貴的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

作為一名業餘硬件愛好者，我一直對電腦內部的運作原理充滿著無窮的好奇。尤其是在DIY攢機的過程中，我常常會聽到“供電”這個詞的重要性，但具體如何纔算是一個好的電源設計，以及它對整機性能有多大的影響，我卻知之甚少。這本書的標題雖然聽起來有些技術性，但“深入剖析”這幾個字讓我覺得它可能會用一種相對易懂的方式來闡述復雜的概念。我希望書中不會隻停留在理論層麵，而是能結閤一些圖示和實際的電路講解，讓我能夠直觀地理解主闆上的各個供電單元是如何工作的。比如，CPU供電、內存供電、芯片組供電，它們之間有什麼區彆？為什麼有些主闆會有那麼多的VRM相位？這些多齣來的相位又能帶來什麼好處？我還特彆想瞭解，電源的穩定性是否會影響超頻的效果？如果想把CPU的頻率推得更高，是否就需要一個設計更精良、穩定性更高的電源？書中關於“環路穩定性能”的描述，我雖然不完全理解，但感覺它應該是指電源能夠快速響應負載變化，並且輸齣電壓不會齣現劇烈波動。我非常期待書中能有一些生動形象的比喻，或者將復雜的數學公式轉化為易於理解的物理意義，讓我這個非專業人士也能窺探到主闆電源設計的奧秘，從而在未來的硬件選購和裝機過程中，能夠做齣更明智的選擇。

評分☆☆☆☆☆

我是一名在校的電子工程專業學生，目前正在學習數字電源設計和電源管理IC的相關知識。在我的課程學習中，經常會接觸到關於DC-DC轉換器、開關電源等內容，但如何將這些理論知識應用到實際的、特彆是高度集成的電子産品中，例如我們每天使用的電腦主闆，卻是一個相對抽象的概念。這本書的標題“深入剖析主闆電源設計及環路穩定性能”，正是我當前學習的重點和難點所在。我非常希望這本書能夠提供更深入的理論解析，包括但不限於Buck、Boost、Buck-Boost等拓撲結構在主闆上的具體應用，以及各種拓撲的詳細數學建模和分析。同時，關於環路穩定性，我希望能詳細瞭解誤差放大器的設計、補償網絡的選擇（如Type II, Type III補償），以及如何通過分析Bode圖和Nyquist圖來判斷和改善電源的瞬態響應和穩定性。書中是否會涉及一些高級的電源設計技巧，例如多相交錯並聯技術、動態電壓調整（DVS）、以及如何處理輕載和重載下的效率優化問題？我期待這本書能提供一些針對主闆特殊應用場景的電源設計考量，例如對高動態範圍的CPU和GPU供電需求，以及如何在高密度PCB上進行閤理的電源布局以減小寄生參數的影響。如果書中能夠包含一些實際的主闆電源方案分析，例如某個特定型號主闆的VRM設計細節，那將對我理解理論與實踐的結閤非常有幫助。

評分☆☆☆☆☆

我是一位資深的遊戲玩傢，過去十多年裏，我幾乎見證瞭PC硬件的每一次迭代和升級。我深知，一個穩定強大的平颱是流暢遊戲體驗的基石，而主闆作為連接所有硬件的樞紐，其供電設計的優劣直接關係到整個係統的穩定性，尤其是在我這種追求極限超頻和高幀率輸齣的玩傢眼中。市麵上充斥著大量關於顯卡、CPU的評測，但真正深入探討主闆電源設計的，卻少之又少。這本書的齣現，無疑填補瞭這一空白。我迫切想知道，市麵上那些聲稱“供電豪華”的主闆，究竟在哪些方麵做得齣色？書中是否會解析不同供電相數、MOSFET型號、電容選材，以及它們對CPU超頻潛力和穩定性帶來的具體影響？“環路穩定性能”這個詞對我來說既神秘又充滿吸引力，我猜想它和電源的動態響應速度息息相關，直接影響到在高負載遊戲場景下，CPU能否獲得持續、純淨的電力供應，避免因電壓驟降而導緻的卡頓甚至崩潰。我非常期待書中能用通俗易懂的語言，結閤一些實際的測試數據和圖錶，來解釋這些看似晦澀的技術術語，讓我能夠更好地理解不同主闆在電源設計上的差異，從而在選擇下一塊心儀的主闆時，不再僅僅依靠外觀和品牌，而是能有更深刻的判斷依據。

評分☆☆☆☆☆

我是一名在業餘時間喜歡鑽研硬件的愛好者，平時沒少接觸一些電路方麵的內容，也算對基礎的電源知識有所瞭解。但當我嘗試去深入理解像主闆這樣高度集成的電子設備內部是如何實現精密的供電時，常常會感覺力不從心。特彆是書中提到的“主闆電源設計”，這涉及到非常多的具體元件和布局，需要有紮實的理論基礎和豐富的實踐經驗纔能駕馭。我一直想弄明白，為什麼不同價位的主闆，其供電部分會有如此大的差異？除瞭數量上的區彆，材質、品牌、設計理念上又有哪些關鍵點？“環路穩定性能”這個概念聽起來很有意思，我猜測它指的是電源在應對瞬息萬變的負載時，能夠快速調整輸齣，並且保持非常低的紋波和抖動。我希望這本書能夠提供一些具體的分析方法，比如如何通過示波器去觀察電源的輸齣波形，如何理解那些復雜的頻率響應麯綫，以及如何在PCB設計上避免信號乾擾和串擾，從而提升電源的整體性能。如果書中能夠包含一些常見電源故障的分析，或者是一些避免設計錯誤的經驗總結，那對我這樣喜歡自己動手解決問題的人來說，將是非常寶貴的財富。我更希望能看到書中對於一些前沿技術，比如GaN、SiC等新型半導體材料在主闆電源設計中的應用前景的探討，讓我能夠與時俱進，對未來的硬件發展趨勢有一個初步的認識。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題真是直擊要害，一下子就勾起瞭我作為一名硬件工程師的探索欲。市麵上關於電源設計的書籍不少，但真正能深入到主闆這個復雜載體的電源係統，並且還能兼顧環路穩定性的，確實不多見。我一直對電源的穩定性如何影響整個係統的可靠性深感好奇，尤其是在高頻率、大功耗的設計中，一點點波紋都可能引發連鎖反應。這本書的齣現，仿佛為我打開瞭一扇通往更深層次理解的大門。我特彆期待它能詳細講解不同類型主闆供電拓撲的優缺點，比如VRM（電壓調節模塊）的各種實現方式，以及它們在不同應用場景下的適用性。此外，對於電源噪聲抑製和電磁乾擾（EMI）的解決方案，我也有著濃厚的興趣。書中是否會剖析常用的濾波電路和屏蔽技術？它們又是如何在實際主闆設計中發揮作用的？還有，書中關於環路穩定性的論述，我猜想會涉及到伯德圖、奈奎斯特圖等經典的控製理論工具，以及如何在PCB布局和元件選型上優化環路性能，減少瞬態響應的過衝和下衝，從而確保CPU、內存等關鍵器件獲得穩定純淨的供電。如果書中能提供一些實際案例分析，比如某個知名主闆在電源設計上遇到的挑戰以及解決方案，那將是再好不過的瞭，能極大地提升學習的實踐性和啓發性。