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出版者:

作者:Maniktala, Sanjaya

出品人:

页数:768

译者:

出版时间:2012-4

价格:436.30元

装帧:

isbn号码:9780123865335

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
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电子技术与电路设计前沿：系统集成与优化实践 导言：迈向高效能、高可靠性的电子系统设计 在当代电子工程领域，对电源效率、系统稳定性和紧凑性的要求达到了前所未有的高度。从便携式消费电子产品到工业级自动化设备，再到数据中心的基础设施，如何高效、可靠地管理和分配电能，是决定整个系统性能的关键瓶颈之一。本书旨在深入探讨现代电子系统中电源管理以外的系统级集成、信号完整性、热管理和电磁兼容性（EMC）等核心议题，为工程师和技术人员提供一套全面的、面向实践的解决方案框架。我们将超越单一组件的工作原理，聚焦于多个关键子系统如何协同工作，以构建一个稳定、高效且符合规范的复杂电子设备。 第一部分：高密度系统集成与布线拓扑优化 现代电子设备内部空间的限制日益严苛，这直接挑战了传统的设计方法。本部分将详细阐述如何在多层PCB（印刷电路板）上实现复杂功能的系统集成，并确保信号和电源路径的完整性。 1.1 芯片级封装与系统级互连技术 探讨先进封装技术（如SiP、MiP）如何影响系统级布局。重点分析堆叠技术（Stacking）在减小体积和缩短互连延迟方面的应用。我们将分析BGA（球栅阵列）与FCBGA（倒装芯片BGA）的引脚分配策略，以及如何根据I/O密度和热流路径来优化芯片与PCB的物理接口。 1.2 高速信号完整性（SI）的量化分析与控制 对于运行在GHz频率范围内的处理器和通信芯片，信号的上升时间与传输线特性成为主导因素。本章详细介绍了反射、串扰和损耗的物理模型。我们将深入研究特征阻抗匹配的实际操作，包括如何处理过孔（Vias）对阻抗的影响，并介绍TDR（时域反射仪）在故障诊断中的应用。此外，还将涵盖去耦电容的优化选型与放置策略，确保在芯片引脚处提供瞬时电流所需的低阻抗回路。 1.3 PCB叠层设计与平面划分艺术 探讨如何根据设计需求（层数、材料、成本）选择合适的PCB叠层结构。重点讲解电源平面（Power Planes）与地平面（Ground Planes）的有效划分，以及如何利用相邻层之间的介质厚度和介电常数来控制耦合效应。对于双平衡信号，介绍如何设计带状线（Stripline）和微带线（Microstrip）以实现精确的相位匹配。 第二部分：系统热管理与可靠性工程 在紧凑的封装内，热量是电子系统可靠性的头号杀手。本部分将系统地介绍如何从设计初期就融入热管理思维，确保设备在严苛的工作环境下长期稳定运行。 2.1 传热学基础与热阻路径分析 复习热传导、热对流和热辐射的基本定律，并将其应用于电子元件的散热分析。重点分析从芯片结温（$T_j$）到环境温度（$T_a$）之间的所有热阻路径，包括封装热阻、界面材料热阻和散热器热阻。我们将介绍热流密度（Heat Flux Density）的概念及其对材料选择的影响。 2.2 界面热材料（TIMs）的选择与应用 详细比较不同类型的界面热材料（Thermal Interface Materials），包括导热垫片、导热胶和相变材料。分析其热导率、粘附性、长期稳定性和对装配过程的影响。本章提供了一个决策矩阵，指导工程师根据工作温度范围、压力和成本选择最合适的TIM。 2.3 强制对流散热系统设计 系统地介绍风扇与风道的设计原则。讨论如何使用CFD（计算流体力学）仿真来预测气流分布和热点区域。重点关注自然冷却系统（被动散热）的设计极限，以及如何通过优化散热片几何形状（如翅片间距、表面处理）来最大化对流换热系数。 第三部分：电磁兼容性（EMC）与噪声抑制 设计良好的电子系统必须在复杂的电磁环境中保持功能完整性，并不能对外部环境产生过度的干扰。本部分侧重于系统级的EMC设计，而非单个模块的滤波技术。 3.1 噪声耦合机制与系统级辐射源识别 深入分析辐射发射（Radiated Emission, RE）和传导发射（Conducted Emission, CE）的根本来源。将PCB上的高速回流路径、电源分配网络（PDN）的阻抗不匹配、以及电缆和连接器视为主要的辐射偶极子。介绍近场耦合和远场耦合的原理。 3.2 强大的地平面设计与屏蔽技术 强调地平面的连续性在抑制共模噪声中的决定性作用。讨论分割地平面（Split Ground Planes）的风险，以及在混合信号设计中如何实施“星形地”或“分割环路”策略。详细讲解法拉第笼效应在机箱屏蔽中的实现，包括屏蔽材料的选择（导电性与厚度）以及缝隙、开孔的尺寸对屏蔽效能（SE）的影响。 3.3 I/O端口的EMC防护策略 分析输入/输出端口（如USB、Ethernet、RF接口）易受外部浪涌和噪声干扰的环节。介绍瞬态电压抑制器（TVS）的正确选型、钳位电压选择和布局要求。讨论共模扼流圈（Common Mode Chokes）在差分信号线上的应用及其对信号质量的影响评估。 第四部分：系统级诊断、测试与可制造性设计（DFM） 一个成功的设计不仅要满足性能指标，还必须易于生产、易于测试和易于维护。 4.1 边界扫描与故障隔离技术 探讨现代IC内部的JTAG（IEEE 1149.1）标准在系统级测试中的应用。如何利用边界扫描链来测试高密度互连PCB上的连接性，从而替代昂贵的探针测试。介绍内置自检（BIST）机制在系统上电自检中的角色。 4.2 可制造性设计（DFM）与装配考量 将设计约束转化为制造规范。讨论最小走线宽度、最小间距、元件可拾取性等对SMT（表面贴装技术）良率的影响。分析波峰焊或回流焊过程中，大型地平面和电源平面对热应力的影响，以及如何通过增加过孔数量（Thermal Relief Vias）来优化焊接质量。 4.3 系统级调试工具与方法论 介绍在集成电路板上进行电源噪声谱分析、瞬态响应捕获的高级工具使用方法。强调系统调试应遵循自底向上、从模块到系统的迭代过程，并介绍如何利用示波器的探头技术准确测量封装内部的电压纹波和瞬态跌落。 结论：面向未来的复杂系统设计范式 本书提供的知识体系，从物理层面的信号完整性与热管理，到系统层面的EMC与可制造性，构成了一个完整的设计闭环。掌握这些跨学科的集成方法论，是工程师在瞬息万变的电子产品开发周期中，确保产品快速上市、高可靠性和低风险的关键所在。最终目标是实现设计流程的前瞻性优化，而非事后弥补缺陷。

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我对工业自动化领域的电源应用非常感兴趣，特别是那些需要长时间稳定运行、高可靠性以及能够在恶劣环境下工作的电源。例如，工业控制系统、机器人动力系统、以及一些高压直流输电项目。这些应用对电源的鲁棒性、功率密度和电磁兼容性有着极高的要求。我一直在寻找一本能够深入探讨这些特定领域电源设计挑战的书籍，并提供有效的解决方案。比如，我希望了解如何在高温、低温、高湿度以及强电磁干扰的环境下设计可靠的开关电源。我也对冗余电源设计、故障诊断和自愈能力等概念很感兴趣，因为这在工业环境中至关重要。如果书中能包含一些关于高功率密度DC-DC转换器和AC-DC转换器的设计细节，以及如何处理大功率开关器件的散热问题，那将非常有帮助。我还希望能够学习到一些关于电源系统监控和远程管理的技术，以及如何通过智能化手段来提升电源系统的运行效率和可靠性。

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作为一个在消费电子领域打拼多年的产品工程师，我深知一个稳定可靠且具有成本效益的电源解决方案对于产品成功的重要性。在实际工作中，我们经常会遇到各种电源相关的挑战，从基本的效率和成本控制，到复杂的EMI/EMC合规性、可靠性测试，再到最新的功率密度提升需求。我一直在寻找一本能够提供全面且深入见解的书籍，能够涵盖开关电源设计的所有关键方面。比如，我希望看到关于不同功率等级的电源设计考量，从几瓦到几百瓦，甚至更高。我也对如何进行可靠性设计和失效模式分析感兴趣，以及如何通过设计来规避潜在的故障。此外，关于国际和国内的电源相关标准和法规，以及如何在设计中满足这些要求，也是我非常看重的部分。如果书中能包含一些关于电源模块化设计、智能化控制策略，以及未来电源技术发展趋势的讨论，那将是锦上添花。

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最近，我尝试着去研究一些关于嵌入式系统中的电源管理单元，发现开关电源的设计是绕不开的关键环节。我特别关注的是那些在低功耗和高密度方面有极致要求的应用，比如便携式电子设备、物联网传感器节点，甚至是某些医疗设备。这些场景下，电源的尺寸、功耗以及电磁兼容性（EMC）都成为了非常严苛的指标。我一直在寻找能够深入剖析这些挑战，并提供切实可行解决方案的书籍。例如，我想了解如何在有限的空间内实现高功率密度，如何通过优化PCB布局和元件选择来降低EMI辐射，以及如何设计低静态电流的控制器来延长电池寿命。如果书中能包含一些关于电源保护设计的讨论，比如过压保护、过流保护、欠压锁定等，那将非常有价值。我也希望能够学习到一些关于电源系统集成和测试的经验，了解如何在实际产品开发流程中，将开关电源的设计与整体系统进行有效的结合，并进行全面的性能验证。

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我是一名在校的电子工程专业学生，目前正在学习电力电子方向的课程。老师在课堂上会提到很多关于开关电源的理论知识，比如功率器件的开关特性、电感和电容的储能原理、反馈控制等，但有时候在实际操作和理解设计细节上会感到有些吃力。我非常希望找到一本能够将理论与实践紧密结合的书籍，能够帮助我建立起一个完整的开关电源设计框架。比如，我希望能详细了解不同类型的功率开关器件（MOSFET, IGBT, GaN, SiC）的选型依据，以及它们的导通损耗和开关损耗如何影响整体效率。我也对环路稳定性分析和补偿网络的设计很感兴趣，因为这直接关系到电源的稳定性和动态响应。如果书中能提供一些实际的电路原理图和PCB布局建议，并解释这样设计的考量，那将对我的学习非常有帮助。我还想了解一下关于高频变压器设计和磁芯材料选择的知识，以及它们如何影响电源的效率和尺寸。

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作为一名业余的电子爱好者，一直对开关电源这种高效能的电力转换技术很感兴趣，但市面上很多资料都写得太过晦涩难懂，要么是偏理论，要么是过于简略。我一直希望能找到一本既能深入讲解原理，又能提供足够实践指导的书籍。比如，我一直对不同类型的开关拓扑结构，像Buck、Boost、Buck-Boost以及更复杂的Cuk、SEPIC等，它们在效率、纹波、电磁干扰方面的权衡以及各自最适合的应用场景感到好奇。我希望能在这本书里找到清晰的图示和严谨的数学推导，但同时也能看到一些实际电路的设计考量，例如如何选择合适的电感、电容，如何处理EMI问题，以及如何对电源进行稳定性分析和补偿设计。我期望这本书能像一位经验丰富的工程师，一步步引导我理解这些复杂的设计流程，让我能真正上手去设计和调试自己的开关电源。如果书中能包含一些常见问题的排查指南，比如如何解决输出电压不稳定、效率低下、过热等问题，那就太完美了。我也很想了解一些关于高频开关电源设计中的最新进展，比如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等新型半导体材料的应用，以及它们如何进一步提升电源的性能和效率。

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