Digital Control of High-Frequency Switched-Mode Power Conver pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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☆☆☆☆☆

出版者:Wiley-IEEE Press

作者:Luca Corradini

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2015-7-13

价格:0

装帧:精装

isbn号码:9781118935101

丛书系列:

图书标签:

power
digital
电力电子
开关电源
数字控制
高频变换
控制系统
电力转换
稳态分析
动态分析
建模与仿真
优化控制

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具体描述

探寻高效能源转换的奥秘：一本关于直流电源系统设计的深度指南本书将带领读者深入探索现代直流电源系统的设计精髓。我们关注的核心在于如何通过先进的电路拓扑和控制策略，实现高效、稳定且紧凑的能量转换。书中将详尽阐述从基本原理到复杂应用的整个设计流程，旨在为工程师和研究人员提供一套全面且实用的工具箱。核心内容聚焦：开关电源拓扑的精细分析：我们将从最基础的 Buck、Boost、Buck-Boost 等拓扑结构出发，逐一剖析其工作原理、优缺点以及在不同应用场景下的适用性。本书将深入到这些拓扑的变种，例如 SEPIC、Cuk、Flyback、Forward、Half-Bridge、Full-Bridge 等，重点关注它们在高频工作下的效率损失、电磁干扰（EMI）抑制以及功率密度提升等关键性能指标。对于每一种拓扑，都会进行详细的理论推导，并结合实际电路参数进行仿真和分析，帮助读者理解不同拓扑的特性如何在实际应用中得以体现。瞬态响应与稳定性控制：高频开关电源对瞬态响应的要求极高。本书将深入探讨如何设计出能够快速响应负载变化的控制环路，以保证输出电压的稳定。我们将详细讲解 PID 控制器的设计方法，包括参数整定、频率补偿技术，以及如何针对不同拓扑和应用场景选择最优的补偿策略。此外，对环路增益、相位裕度等稳定性判据的深入分析，将帮助读者理解如何避免系统振荡，确保电源的可靠运行。电流模式控制的深度解析：相较于传统的电压模式控制，电流模式控制在高频开关电源中展现出诸多优势，例如更快的瞬态响应、固有的电流限制能力以及更强的抗扰性。本书将对峰值电流模式控制、平均电流模式控制等主流电流模式控制技术进行详尽阐述，包括其工作原理、建模方法、稳定性和开关噪声抑制等问题。我们将通过数学模型和仿真分析，揭示电流模式控制在提高电源性能方面的独特作用。数字控制技术在电源设计中的应用：随着数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）性能的飞速提升，数字控制已成为高频开关电源发展的重要方向。本书将重点介绍如何将数字控制技术应用于电源的设计与实现。我们将详细讲解数字 PID 控制器的实现方式，包括离散化方法、采样频率选择以及数字滤波器的设计。此外，还会探讨一些先进的数字控制策略，例如模型预测控制（MPC）、自适应控制等，以及它们在高频开关电源中实现更高性能的潜力。功率器件的选择与优化：功率器件是开关电源的核心组成部分，其选择直接影响电源的效率、功率密度和可靠性。本书将对 MOSFET、IGBT、SiC 器件、GaN 器件等主流功率器件进行深入分析，包括它们的导通损耗、开关损耗、结电容以及寄生参数对电路性能的影响。我们将提供一套系统性的选型指南，帮助读者根据具体应用需求，选择最合适的功率器件，并指导读者如何通过优化驱动电路和散热设计来充分发挥器件的性能。电磁干扰（EMI）与电磁兼容（EMC）的设计：高频开关电源的快速开关动作会产生显著的电磁干扰，对其他电子设备造成影响。本书将系统性地阐述 EMI 的产生机理，并提供一系列有效的 EMI 抑制技术。我们将详细讲解辐射和传导 EMI 的产生途径，包括开关节点噪声、环路电感、栅极驱动回路等，并介绍各种滤波技术（例如共模扼流圈、差模滤波器）、屏蔽技术以及 PCB 布局优化等方法，以满足严格的 EMC 标准。功率密度提升与小型化设计：在许多应用中，电源的尺寸和重量是至关重要的设计指标。本书将探讨多种提升功率密度和实现电源小型化的策略。我们将深入研究高频化设计带来的优势和挑战，包括如何选择更高开关频率的功率器件和磁性元件。此外，还会讨论软开关技术（例如 ZVS、ZCS）在降低损耗和提高效率方面的作用，以及采用集成化解决方案（例如功率集成器件、三维封装）来进一步减小电源体积。实际应用案例分析：为了帮助读者更好地理解理论知识，本书将通过多个实际应用案例来展示不同拓扑和控制策略的应用。这些案例将涵盖服务器电源、通信电源、电动汽车充电桩、LED 照明驱动器以及便携式电子设备电源等领域，详细介绍每个案例的设计挑战、解决方案以及最终的性能评估。通过阅读本书，读者将能够掌握设计高性能、高效率直流电源系统的必备知识和技能，并能够应对日益复杂的电源设计挑战。本书力求在严谨的理论基础上，结合丰富的工程实践经验，为读者提供一个清晰、系统且深入的学习路径。

作者简介

Luca Corradini, PhD, is an Assistant Professor at the University of Padova, Italy. He is the co-author of more than fifty articles published in journals and conference proceedings.

Dragan Maksimovic, PhD is a Charles V. Schelke Endowed Professor and Director of the Colorado Power Electronics Center (CoPEC) at the University of Colorado at Boulder, USA.

Paolo Mattavelli, PhD, joined the DTG of the University of Padova, Italy. Dr. Mattavelli's major fields of interest include analysis, and modeling and control of power converters.

Regan Zane, PhD, is a Professor of Electrical and Computer Engineering at the University of Colorado at Boulder, USA. Dr. Zane received the NSF Career Award in 2004 for his work in energy efficient lighting systems.

目录信息

PREFACE ix
INTRODUCTION 1
CHAPTER 1 CONTINUOUS-TIME AVERAGED MODELING OF DC–DC CONVERTERS 13
1.1 Pulse Width Modulated Converters 14
1.2 Converters in Steady State 16
1.2.1 Boost Converter Example 17
1.2.2 Estimation of the Switching Ripple 19
1.2.3 Voltage Conversion Ratios of Basic Converters 20
1.3 Converter Dynamics and Control 21
1.3.1 Converter Averaging and Linearization 22
1.3.2 Modeling of the Pulse Width Modulator 24
1.3.3 The System Loop Gain 25
1.3.4 Averaged Small-Signal Models of Basic Converters 26
1.4 State-Space Averaging 28
1.4.1 Converter Steady-State Operating Point 28
1.4.2 Averaged Small-Signal State-Space Model 29
1.4.3 Boost Converter Example 30
1.5 Design Examples 32
1.5.1 Voltage-Mode Control of a Synchronous Buck Converter 32
1.5.2 Average Current-Mode Control of a Boost Converter 42
1.6 Duty Ratio d[k] Versus d(t) 48
1.7 Summary of Key Points 50
CHAPTER 2 THE DIGITAL CONTROL LOOP 51
2.1 Case Study: Digital Voltage-Mode Control 52
2.2 A/D Conversion 53
2.2.1 Sampling Rate 53
2.2.2 Amplitude Quantization 56
2.3 The Digital Compensator 58
2.4 Digital Pulse Width Modulation 63
2.5 Loop Delays 65
2.5.1 Control Delays 65
2.5.2 Modulation Delay 66
2.5.3 Total Loop Delay 70
2.6 Use of Averaged Models in Digital Control Design 71
2.6.1 Limitations of Averaged Modeling 71
2.6.2 Averaged Modeling of a Digitally Controlled Converter 74
2.7 Summary of Key Points 78
CHAPTER 3 DISCRETE-TIME MODELING 79
3.1 Discrete-Time Small-Signal Modeling 80
3.1.1 A Preliminary Example: A Switched Inductor 82
3.1.2 The General Case 85
3.1.3 Discrete-Time Models for Basic Types of PWM Modulation 87
3.2 Discrete-Time Modeling Examples 88
3.2.1 Synchronous Buck Converter 90
3.2.2 Boost Converter 97
3.3 Discrete-Time Modeling of Time-Invariant Topologies 102
3.3.1 Equivalence to Discrete-Time Modeling 106
3.3.2 Relationship with the Modified Z-Transform 108
3.3.3 Calculation of Tu(z) 108
3.3.4 Buck Converter Example Revisited 112
3.4 Matlab® Discrete-Time Modeling of Basic Converters 112
3.5 Summary of Key Points 117
CHAPTER 4 DIGITAL CONTROL 119
4.1 System-Level Compensator Design 119
4.1.1 Direct-Digital Design Using the Bilinear Transform Method 120
4.1.2 Digital PID Compensators in the z- and the p-Domains 123
4.2 Design Examples 126
4.2.1 Digital Voltage-Mode Control of a Synchronous Buck Converter 126
4.2.2 Digital Current-Mode Control of a Boost Converter 134
4.2.3 Multiloop Control of a Synchronous Buck Converter 136
4.2.4 Boost Power Factor Corrector 141
4.3 Other Converter Transfer Functions 154
4.4 Actuator Saturation and Integral Anti-Windup Provisions 160
4.5 Summary of Key Points 165
CHAPTER 5 AMPLITUDE QUANTIZATION 167
5.1 System Quantizations 167
5.1.1 A/D Converter 167
5.1.2 DPWM Quantization 169
5.2 Steady-State Solution 172
5.3 No-Limit-Cycling Conditions 175
5.3.1 DPWM versus A/D Resolution 175
5.3.2 Integral Gain 178
5.3.3 Dynamic Quantization Effects 181
5.4 DPWM and A/D Implementation Techniques 182
5.4.1 DPWM Hardware Implementation Techniques 182
5.4.2 Effective DPWM Resolution Improvements via ΣΔ Modulation 186
5.4.3 A/D Converters 187
5.5 Summary of Key Points 190
CHAPTER 6 COMPENSATOR IMPLEMENTATION 191
6.1 PID Compensator Realizations 194
6.2 Coefficient Scaling and Quantization 197
6.2.1 Coefficients Scaling 198
6.2.2 Coefficients Quantization 200
6.3 Voltage-Mode Control Example: Coefficients Quantization 203
6.3.1 Parallel Structure 204
6.3.2 Direct Structure 206
6.3.3 Cascade Structure 208
6.4 Fixed-Point Controller Implementation 213
6.4.1 Effective Dynamic Range and Hardware Dynamic Range 214
6.4.2 Upper Bound of a Signal and the L1-Norm 216
6.5 Voltage-Mode Converter Example: Fixed-Point Implementation 218
6.5.1 Parallel Realization 220
6.5.2 Direct Realization 225
6.5.3 Cascade Realization 229
6.5.4 Linear versus Quantized System Response 233
6.6 HDL Implementation of the Controller 234
6.6.1 VHDL Example 235
6.6.2 Verilog Example 237
6.7 Summary of Key Points 239
CHAPTER 7 DIGITAL AUTOTUNING 241
7.1 Introduction to Digital Autotuning 242
7.2 Programmable PID Structures 243
7.3 Autotuning VIA Injection of a Digital Perturbation 247
7.3.1 Theory of Operation 249
7.3.2 Implementation of a PD Autotuner 253
7.3.3 Simulation Example 255
7.3.4 Small-Signal Analysis of the PD Autotuning Loop 261
7.4 Digital Autotuning Based on Relay Feedback 265
7.4.1 Theory of Operation 266
7.4.2 Implementation of a Digital Relay Feedback Autotuner 267
7.4.3 Simulation Example 271
7.5 Implementation Issues 272
7.6 Summary of Key Points 275
APPENDIX A DISCRETE-TIME LINEAR SYSTEMS AND THE Z-TRANSFORM 277
A.1 Difference Equations 277
A.1.1 Forced Response 278
A.1.2 Free Response 279
A.1.3 Impulse Response and System Modes 281
A.1.4 Asymptotic Behavior of the Modes 282
A.1.5 Further Examples 283
A.2 Z-Transform 284
A.2.1 Definition 284
A.2.2 Properties 285
A.3 The Transfer Function 287
A.3.1 Stability 287
A.3.2 Frequency Response 288
A.4 State-Space Representation 288
APPENDIX B FIXED-POINT ARITHMETIC AND HDL CODING 291
B.1 Rounding Operation and Round-Off Error 291
B.2 Floating-Point versus Fixed-Point Arithmetic Systems 293
B.3 Binary Two’s Complement (B2C) Fixed-Point Representation 294
B.4 Signal Notation 296
B.5 Manipulation of B2C Quantities and HDL Examples 297
B.5.1 Sign Extension 298
B.5.2 Alignment 299
B.5.3 Sign Reversal 301
B.5.4 LSB and MSB Truncation 302
B.5.5 Addition and Subtraction 304
B.5.6 Multiplication 305
B.5.7 Overflow Detection and Saturated Arithmetic 307
APPENDIX C SMALL-SIGNAL PHASE LAG OF UNIFORMLY SAMPLED PULSE WIDTH MODULATORS 313
C.1 Trailing-Edge Modulators 313
C.2 Leading-Edge Modulators 317
C.3 Symmetrical Modulators 318
REFERENCES 321
INDEX 335
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，这本书的阅读过程并非一帆风顺，它要求读者对电力电子和控制理论都有一定的预备知识，但正因为这种要求，使得它避开了许多初级读物中常见的肤浅描述，直击问题的核心。最让我感到惊喜的是，书中对数字控制系统在特定应用场景下的局限性进行了坦诚的讨论，例如在处理极低电压或电流纹波要求极其苛刻的场合，数字系统如何通过超高速采样和复杂的算法来逼近甚至超越模拟控制的性能极限。作者并没有把数字控制描绘成万能的“银弹”，而是客观地分析了它在采样延迟、量化噪声以及计算资源消耗方面的固有挑战，并提出了切实可行的缓解措施。这种实事求是的态度，让我对书中的每一个结论都充满了信任感。读完此书，我感觉自己不仅学会了如何设计数字控制环路，更重要的是，我对未来高频电源设计的技术瓶颈和潜在突破口有了更清晰的认识和更成熟的判断力。

评分☆☆☆☆☆

老实说，这本书的深度和广度，足以让那些在电源设计领域摸爬滚打了多年的资深工程师也忍不住细细品味。我特别欣赏作者在处理非线性系统建模和鲁棒性设计时所展现出的老辣功力。面对高频、高密度电源日益严苛的瞬态性能要求，传统的模拟控制往往显得力不从心，而本书对如何利用先进的数字算法来克服这些挑战，提供了非常前沿和实用的思路。书中对状态空间平均法在数字域的转化、以及如何利用观测器（如卡尔曼滤波）来提高状态估计精度，这些高级话题的阐述，逻辑链条异常清晰，让人在阅读时能产生强烈的“茅塞顿开”之感。特别是关于如何应对器件参数漂移和外部干扰的章节，作者没有止步于理论推导，而是引入了自适应控制和基于模型的预测控制（MPC）的讨论，这表明本书的视野完全站在了当前电力电子控制技术的前沿，为行业内的创新提供了坚实的理论基础和可行的技术路径。

评分☆☆☆☆☆

对于我这个偏向软件和算法背景的工程师来说，这本书最吸引我的地方在于它对数字实现细节的“毫不留情”的细致描述。很多电源控制的书籍在讲到微控制器（MCU）或DSP时，往往一带而过，但本书却花了大量篇幅讨论了定点运算的精度问题、中断服务程序的延迟对控制回路性能的影响，乃至如何优化代码结构以确保控制周期的准确性。作者似乎非常清楚，在实际的嵌入式系统中，理论上的完美设计可能因为硬件资源限制或时序约束而功亏一篑。他甚至提到了如何利用硬件加速器来分担部分计算任务，这对于追求极致效率的数字电源设计师来说，无疑是极具价值的工程见解。阅读这些章节时，我仿佛能听到作者在耳边提醒：“别忘了，代码跑在物理世界里，时序和精度都是钱和性能的度量衡。”这种深入一线的视角，极大地提升了这本书的实用价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构布局非常巧妙，它没有一味地追求技术的前沿性，而是构建了一个非常扎实的知识阶梯。前几章奠定了扎实的开关电源拓扑基础和离散化理论，中段则重点讲解了针对不同拓扑（如Buck、Boost、全桥等）的数字环路设计与补偿器调优，最后几章则开始探索更高阶的控制策略和系统集成问题。这种由浅入深的组织方式，使得读者可以根据自己的知识储备选择切入点，但最终都能导向对全系统数字控制的深刻理解。尤其值得称赞的是，书中在讲解某一控制策略时，总是会同时对比它与传统模拟控制的优劣，这种对比分析的视角，使得读者能清晰地认识到“为什么要用数字控制”，而不是仅仅停留在“如何实现数字控制”的层面。这种对“为什么”的深入探究，是任何一本优秀的技术专著所不可或缺的灵魂。

评分☆☆☆☆☆

这本关于高频开关电源数字控制的书籍，对于我这样一个刚接触这个领域的新手来说，简直是打开了一扇新世界的大门。它不像很多教科书那样冷冰冰地堆砌公式，而是真正地将理论与实践紧密结合起来。作者在介绍基础概念时，无论是脉冲宽度调制（PWM）的原理，还是反馈回路的设计，都讲解得极其透彻，让我能快速建立起对数字控制在开关电源中应用的宏观认知。更让我印象深刻的是，书中对采样、量化以及如何选择合适的数字控制器（如PID）的深入探讨。例如，在处理高频开关带来的快速动态响应问题时，书中提供的几种数字滤波器设计方法，不仅有清晰的数学推导，更有直观的仿真结果佐证其有效性，这对于我理解数字环路带宽与系统稳定裕度之间的微妙平衡至关重要。我感觉作者非常注重工程实现层面的细节，很多看似微不足道但实际操作中容易出错的地方，都被提前指明并给出了规避策略，这极大地加速了我的学习进程，让我少走了不少弯路。

评分☆☆☆☆☆