深入剖析主板电源设计及环路稳定性能 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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老童 著

图书标签:

• 主板电源
• 电源设计
• 环路稳定性
• 电力电子
• 开关电源
• 控制电路
• 电路分析
• SMPS
• 电源管理
• 硬件设计

出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787512419001

版次：1

商品编码：12010923

包装：平装

丛书名： 工程师经验手记

开本：16开

出版时间：2016-11-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　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。最后重点描述了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

第1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20Pin ………………………………………… 12

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

1.5.4 ATX12LN 电源:输出为24Pin+4Pin ………………………… 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 Dual10GbEControllerLan …………………………………… 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 主板电源性价比介绍……………………………………………………… 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

深入剖析主板电源设计及环路稳定性能 内容概要 本书旨在为广大电子工程师、硬件开发人员及相关专业学生提供一份全面而深入的关于主板电源设计及其环路稳定性的理论与实践指南。我们跳脱出基础概念的重复，直击工程设计中的核心挑战与关键技术，以严谨的学术态度和丰富的工程经验，揭示主板电源系统从设计、仿真到优化的全貌。 第一部分：主板电源架构与关键挑战 本部分将首先建立读者对现代主板电源系统宏观架构的清晰认知。我们将详细剖析不同类型的主板（如高性能游戏主板、服务器主板、嵌入式主板等）在电源需求上的差异性，以及这些差异如何驱动电源拓扑的选择。 VRM（电压调节模块）架构演进与对比： 从传统的单相、多相PWM控制器，到现代CPU/GPU对瞬态响应和效率提出的极致要求，我们将深入探讨多相Buck变换器、DC-DC转换器在主板上的应用。重点分析不同相数、不同控制模式（如PWM、PFM、混合模式）的优劣，以及它们如何满足动态负载变化的需求。 高效能与高密度挑战： 随着电子设备的功耗密度不断攀升，如何在有限的空间内实现高效的能量转换，同时保证散热和可靠性，成为一项艰巨的任务。本书将分析各种功率器件（MOSFET、电感、电容）在高性能主板电源设计中的选型考量，包括导通损耗、开关损耗、封装技术、热管理方案等。 EMI（电磁干扰）与可靠性设计： 高频开关电源是潜在的EMI源，而主板电源的稳定运行是整个系统稳定工作的基石。我们将深入研究EMI的产生机理，并提供从PCB布局、元件布局、滤波设计到屏蔽等一系列抑制EMI的有效手段。同时，针对主板电源的长期可靠性，将探讨过压、过流、过温保护机制的设计，以及元件的寿命预测与可靠性设计原则。 第二部分：核心技术解析与原理深度挖掘 本部分将是本书的理论核心，我们不满足于表面描述，而是深入其内在的物理原理和工程实现细节。 DC-DC变换器工作原理与模型： 详细讲解Buck、Boost、Buck-Boost等DC-DC变换器在主板电源系统中的具体应用，以及其小信号模型、传递函数推导。重点关注瞬态响应分析，包括负载突变时的电压跌落（Vdroop）和恢复时间，以及这些参数对CPU/GPU性能和稳定性的影响。 PWM控制器内部机制： 深入剖析当前主流PWM控制器的核心功能模块，如误差放大器、斜坡补偿、死区时间控制、软启动、均流控制等。我们将通过实际电路分析，讲解这些模块如何协同工作，实现精确的电压调节和稳定的环路响应。 功率电感与电容的特性与选型： 详细分析不同类型电感（如铁芯、锰锌铁氧体、合金粉末）和电容（如陶瓷电容、固态电容、电解电容）的频率特性、ESR（等效串联电阻）、ESL（等效串联电感）、纹波电流承受能力等参数，并结合具体应用场景，指导读者如何进行最优选型。 PCB布局与布线对性能的影响： PCB布局是电源设计中至关重要的一环，错误的布局可能导致严重的性能下降和EMI问题。我们将从高速信号完整性、电源完整性（PI）的角度，详细讲解高功率电流回路的最小化、信号线与功率线的隔离、去耦电容的布局技巧、地线的设计等。 第三部分：环路稳定性分析与设计 环路稳定性是电源设计中最具挑战性的环节之一，直接决定了电源的性能和可靠性。本部分将提供一套系统性的分析方法和设计流程。 控制环路基本概念与频率响应： 详细介绍PID控制器在DC-DC变换器中的应用，包括其增益和相位裕度的定义。我们将通过Bode图、Nyquist图等工具，深入理解控制环路的频率响应特性，并建立起增益裕度与相位裕度对稳定性的影响的直观认识。 传递函数推导与系统辨识： 针对主板电源中的典型拓扑，提供详细的传递函数推导方法。同时，介绍通过实验测量或仿真软件进行系统辨识的技术，以获取准确的系统模型，为环路设计提供基础。 补偿网络设计与优化： 详细阐述多种补偿网络的设计方法，包括Type II、Type III补偿器。我们将通过案例分析，演示如何根据系统的开环传递函数，选择合适的补偿元件，以达到所需的增益和相位裕度。重点讲解如何处理不同负载条件下环路稳定性的变化。 瞬态响应优化与设计权衡： 在保证稳定性的前提下，如何优化瞬态响应是设计的关键。本书将探讨在不同设计目标（如最快响应、最小过冲、最小跌落）之间进行权衡的方法，并提供一些工程上的优化技巧。 仿真工具的应用与实践： 结合业内常用的仿真工具（如PSIM, LTspice, Cadence Allegro等），演示如何建立主板电源模型，进行环路分析和仿真验证。通过仿真结果的解读，帮助读者加深对理论知识的理解，并提高工程设计效率。 第四部分：进阶主题与工程实践 在掌握了基础理论和核心技术后，本部分将带领读者探索更深入的工程问题和前沿技术。 新型电源拓扑与控制策略： 介绍适用于未来高性能主板的先进电源拓扑，如多相位交错同步整流Buck变换器、LLC谐振变换器在辅助电源中的应用等。探讨数字电源控制的优势及其在主板电源设计中的发展趋势。 电源管理IC（PMIC）的应用与集成： 详细介绍主板上集成的PMIC功能，包括电源序列控制、电压轨管理、故障诊断等。分析PMIC的设计思路和与分离式功率器件的协同工作模式。 电源完整性（PI）的系统性设计： 将电源设计提升到系统层面，全面探讨主板的电源完整性问题。包括电源分配网络（PDN）的阻抗匹配、滤波器的设计、高频噪声的抑制以及如何通过仿真工具进行PDN分析。 实际案例分析与疑难解答： 收集并分析若干实际主板电源设计中的经典案例，包括成功的设计经验和遇到的挑战。对常见的设计难题和工程实践中的误区进行深入剖析，并提供切实可行的解决方案。 目标读者： 从事主板、计算机硬件、服务器、高性能计算、嵌入式系统等领域研发的工程师。 对电源设计和电力电子技术感兴趣的在校学生，尤其是研究生。 产品经理、技术支持工程师等需要了解主板电源技术细节的专业人士。 本书将以清晰的逻辑、严谨的推导、丰富的图表和实例，力求让读者在深入理解主板电源设计原理的同时，能够掌握解决实际工程问题的能力。无论您是初涉电源设计领域，还是希望在特定方向上进一步深造，本书都将是您宝贵的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题真是直击要害，一下子就勾起了我作为一名硬件工程师的探索欲。市面上关于电源设计的书籍不少，但真正能深入到主板这个复杂载体的电源系统，并且还能兼顾环路稳定性的，确实不多见。我一直对电源的稳定性如何影响整个系统的可靠性深感好奇，尤其是在高频率、大功耗的设计中，一点点波纹都可能引发连锁反应。这本书的出现，仿佛为我打开了一扇通往更深层次理解的大门。我特别期待它能详细讲解不同类型主板供电拓扑的优缺点，比如VRM（电压调节模块）的各种实现方式，以及它们在不同应用场景下的适用性。此外，对于电源噪声抑制和电磁干扰（EMI）的解决方案，我也有着浓厚的兴趣。书中是否会剖析常用的滤波电路和屏蔽技术？它们又是如何在实际主板设计中发挥作用的？还有，书中关于环路稳定性的论述，我猜想会涉及到伯德图、奈奎斯特图等经典的控制理论工具，以及如何在PCB布局和元件选型上优化环路性能，减少瞬态响应的过冲和下冲，从而确保CPU、内存等关键器件获得稳定纯净的供电。如果书中能提供一些实际案例分析，比如某个知名主板在电源设计上遇到的挑战以及解决方案，那将是再好不过的了，能极大地提升学习的实践性和启发性。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校的电子工程专业学生，目前正在学习数字电源设计和电源管理IC的相关知识。在我的课程学习中，经常会接触到关于DC-DC转换器、开关电源等内容，但如何将这些理论知识应用到实际的、特别是高度集成的电子产品中，例如我们每天使用的电脑主板，却是一个相对抽象的概念。这本书的标题“深入剖析主板电源设计及环路稳定性能”，正是我当前学习的重点和难点所在。我非常希望这本书能够提供更深入的理论解析，包括但不限于Buck、Boost、Buck-Boost等拓扑结构在主板上的具体应用，以及各种拓扑的详细数学建模和分析。同时，关于环路稳定性，我希望能详细了解误差放大器的设计、补偿网络的选择（如Type II, Type III补偿），以及如何通过分析Bode图和Nyquist图来判断和改善电源的瞬态响应和稳定性。书中是否会涉及一些高级的电源设计技巧，例如多相交错并联技术、动态电压调整（DVS）、以及如何处理轻载和重载下的效率优化问题？我期待这本书能提供一些针对主板特殊应用场景的电源设计考量，例如对高动态范围的CPU和GPU供电需求，以及如何在高密度PCB上进行合理的电源布局以减小寄生参数的影响。如果书中能够包含一些实际的主板电源方案分析，例如某个特定型号主板的VRM设计细节，那将对我理解理论与实践的结合非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

我是一位资深的游戏玩家，过去十多年里，我几乎见证了PC硬件的每一次迭代和升级。我深知，一个稳定强大的平台是流畅游戏体验的基石，而主板作为连接所有硬件的枢纽，其供电设计的优劣直接关系到整个系统的稳定性，尤其是在我这种追求极限超频和高帧率输出的玩家眼中。市面上充斥着大量关于显卡、CPU的评测，但真正深入探讨主板电源设计的，却少之又少。这本书的出现，无疑填补了这一空白。我迫切想知道，市面上那些声称“供电豪华”的主板，究竟在哪些方面做得出色？书中是否会解析不同供电相数、MOSFET型号、电容选材，以及它们对CPU超频潜力和稳定性带来的具体影响？“环路稳定性能”这个词对我来说既神秘又充满吸引力，我猜想它和电源的动态响应速度息息相关，直接影响到在高负载游戏场景下，CPU能否获得持续、纯净的电力供应，避免因电压骤降而导致的卡顿甚至崩溃。我非常期待书中能用通俗易懂的语言，结合一些实际的测试数据和图表，来解释这些看似晦涩的技术术语，让我能够更好地理解不同主板在电源设计上的差异，从而在选择下一块心仪的主板时，不再仅仅依靠外观和品牌，而是能有更深刻的判断依据。

评分☆☆☆☆☆

作为一名业余硬件爱好者，我一直对电脑内部的运作原理充满着无穷的好奇。尤其是在DIY攒机的过程中，我常常会听到“供电”这个词的重要性，但具体如何才算是一个好的电源设计，以及它对整机性能有多大的影响，我却知之甚少。这本书的标题虽然听起来有些技术性，但“深入剖析”这几个字让我觉得它可能会用一种相对易懂的方式来阐述复杂的概念。我希望书中不会只停留在理论层面，而是能结合一些图示和实际的电路讲解，让我能够直观地理解主板上的各个供电单元是如何工作的。比如，CPU供电、内存供电、芯片组供电，它们之间有什么区别？为什么有些主板会有那么多的VRM相位？这些多出来的相位又能带来什么好处？我还特别想了解，电源的稳定性是否会影响超频的效果？如果想把CPU的频率推得更高，是否就需要一个设计更精良、稳定性更高的电源？书中关于“环路稳定性能”的描述，我虽然不完全理解，但感觉它应该是指电源能够快速响应负载变化，并且输出电压不会出现剧烈波动。我非常期待书中能有一些生动形象的比喻，或者将复杂的数学公式转化为易于理解的物理意义，让我这个非专业人士也能窥探到主板电源设计的奥秘，从而在未来的硬件选购和装机过程中，能够做出更明智的选择。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在业余时间喜欢钻研硬件的爱好者，平时没少接触一些电路方面的内容，也算对基础的电源知识有所了解。但当我尝试去深入理解像主板这样高度集成的电子设备内部是如何实现精密的供电时，常常会感觉力不从心。特别是书中提到的“主板电源设计”，这涉及到非常多的具体元件和布局，需要有扎实的理论基础和丰富的实践经验才能驾驭。我一直想弄明白，为什么不同价位的主板，其供电部分会有如此大的差异？除了数量上的区别，材质、品牌、设计理念上又有哪些关键点？“环路稳定性能”这个概念听起来很有意思，我猜测它指的是电源在应对瞬息万变的负载时，能够快速调整输出，并且保持非常低的纹波和抖动。我希望这本书能够提供一些具体的分析方法，比如如何通过示波器去观察电源的输出波形，如何理解那些复杂的频率响应曲线，以及如何在PCB设计上避免信号干扰和串扰，从而提升电源的整体性能。如果书中能够包含一些常见电源故障的分析，或者是一些避免设计错误的经验总结，那对我这样喜欢自己动手解决问题的人来说，将是非常宝贵的财富。我更希望能看到书中对于一些前沿技术，比如GaN、SiC等新型半导体材料在主板电源设计中的应用前景的探讨，让我能够与时俱进，对未来的硬件发展趋势有一个初步的认识。