标题：开关电源故障诊断与排除
基本信息
原书名： Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide
原出版社： Newnes  开关电源故障诊断与排除作者： (美)Sanjaya Maniktala
译者： 王晓刚 谢运祥
丛书名： 图灵电子电气工程丛书
出版社：人民邮电出版社
ISBN：9787115245502
上架时间：2011-1-24
出版日期：2011 年2月
开本：16开
页码：199
版次：1-1
内容简介
本书基于作者多年从事开关电源设计工作过程中收获的经验与教训，利用大量真实的事例论述了开关电源故障和排除过程中应遵循的原则，以及高频环境下的去耦、输出噪声和滤波、电容的选用、接地层的铺设技巧、印制电路板的布局、设备的有效使用、提高效率的手段、emi 和噪声等基础知识和上述原因造成的故障及其排除方法，并视角独特地提出开关电源故障诊断的一家之言。书中还利用解答网络论坛问题的方法讨论了业内公司和工程师应持有的态度及与数据手册相关的一些实际问题。
本书可供各层次开关电源工程人员、设计人员、高校相关专业师生阅读和参考。
作译者
Sanjaya Maniktala世界级的开关电源专家。美国博通公司的高层管理者，曾在飞思卡尔、西门子、美国国家半导体等著名公司担任高级工程领导职务。出版过《精通开关电源设计》等多本名著，是EDN、《电子设计》、《电力电子技术》等杂志的专栏作家。他还拥有“浮动降压变换器拓扑”等多项专利。
王晓刚 博士，广州大学副教授，长期从事电力电子技术的教学工作和开关电源、逆变器、有源电力滤波器、PWM整流器等方面的研究工作。
谢运祥 博士,华南理工大学电力学院教授, 博士生导师, 长期从事电力电子与电力传动方面的教学和科研工作。
前言
几个星期前，我发现我急需要找到些灵感。当初，我甚至怀疑写一本主题这么特殊的书是否真的有必要。因此，尽管在这个伟大的构想上徘徊了5 年之久，我最终还是买了\另一本" 书Robert Pease 的Troubleshooting Analog Circuits。我很庆幸我买到了这本书，因为它满足了我的两个要求我不仅认识到这本书的确是激动人心的资源(毫无疑问，这是一本可以让你在旅途中、手里拿着脆饼干和咖啡边笑边欣赏的书)，还了解到它与功率变换无关。以这本书封面中的著名图片为例，其中难解难分纠缠在一起的物体明显是一个著名的V-F(电压{频率) 变换电路。但实际上，它甚至连基本的开关变换器都不是。举例来说，面包板对于开关变换器来说就是一个大忌。如果你仔细思考一下，就会发现图片传递的正是在功率变换中不应尝试的禁忌。令人鼓舞的是，这本书也承认\开关模式调节器与之截然不同"。
当我得知这本关于模拟电路故障诊断的书原本计划当作另一本关于开关功率变换器的书的其中一章时，我十分惊讶。也许这个计划是随着时间的流逝而流产了，也许是因为风险太大市面上几乎没有其他该类书籍，这一事实在一定程度上说明了上述假设的合理性。(为你手中捧着的这本书欢呼吧！) 但我还是相信如果那本书按照原来的设想出版，那么它将极具误导性，原因与这本关于模拟电路故障诊断的书的封面如出一辙。有一段时间，我曾百思不得其解：\这到底是谁的好主意呢？" 后来我认识到当时功率变换仍处在萌芽阶段。谁会知道以后的事呢？
在20 世纪70 年代早期，计算速度高达2MHz 的Intel 8080 微处理器曾让全世界的工程师们惊异不已。\数字化" 成为对新一代电气工程毕业生的赞美之词。事实上在那10 年间(以及下一个10 年)，当询问来公司面试的人希望做什么时，几乎所有的人都会眼睛不眨地答道\微处理器！" 我想我改行从事电力电子的原因就是，对于这些\好东西" 我做得不够好。但是不久之后，我认为事情肯定会因这场数字竞赛中的落后者而变了味，无论他是个人还是公司。在由此造成的颠倒性混乱中，一切非数字化的事物都被冠以\模拟的"。
我想知道这究竟是如何发生的。像\模拟电子的功率" 这种吸引人的词句可能激发了人们的想象力，但它们充其量只是一种矛盾修饰法(oxymoron) (单词中包含\moron"(傻子) 真是恰如其分)。因为尽管表面上看来，\模拟电子" 和\功率" 显得如此亲密和相似，但实际上它们只是一对陌生的伙伴，你不能在题为\你不需要了解数字电路??尽管问" 的总体纲要中将两者相提并论。模拟电子和功率之间的确有一些共性，本质上二者都是\非数字" 的，它们的相似性正在于此。现代开关功率变换器的显著特征是电压和电流因特性神秘的电感而有着很陡的边沿，大量的高频分量使迄今为止的各种手段都显得无能为力(这么说毫不夸张)。
\模拟电子或功率，名称意味着什么？" 你完全有理由这样问。由于两者并不完全对立，所以许多公司中都有这样一个实际问题：高级管理人员突然出现在你的面前，充满想象力且满怀热情地期望将开关IC 的大生意推向新的高峰，但问题是他只熟悉运算放大器。来看近期发生的一件事，故事发生在总部设在加利福尼亚州圣克拉拉的一家大型模拟电子公司，他们的\电源管理" 和\便携式电源" 两个生产线曾大获成功，新上任的高级副总裁满腹怀疑地问他的职员：\为什么你们说我们的开关IC 很`简单'？" 他相信这种说法彻底贬低了他们的产品也许像个简单的汉堡，或者想法太简单。一个毋庸置疑的事实是这种开关IC 是过去10 年公认的品牌。我们应该称它们\高性能开关IC"，或者是\创新性的开关IC"？\复杂开关IC" 或\热情的开关IC" 听上去如何？(这会使工程师们争先恐后地购买它们！) 随后会议室安静了下来，几位野心家还在点着头，态度令人敬畏地放肆，但没有人敢于站出来告诉他们的皇帝，他现在确实需要一个好裁缝。
再来向下观察食物链(或许我应该说\向上")。仅在几年前，功率变换还是一个令大多数工程师望而却步的利基市场(niche market)，如今这个市场变得大多数人没有能力去做。但是，写一篇与功率变换有关的漂亮文章，或者整理出一本令人激动的教材是一回事，在实验台上制作出一台能工作的变换器则完全是另一回事。别忘了， 你还必须令它非常可靠而且成本低，这是问题的关键。造成这种不幸现状的原因很多，有一点可以肯定，那就是几乎没有培养工程师的学校会讲授大量的电力电子学知识，尤其是开关电源(SMPS) 的知识。这就是缺乏开关电源知识的电气工程专业。很不幸，这还不是唯一的原因，每家公司都在奋力争夺少数几所在电气工程专业具有优势的学校的毕业生。情况必须有所改变，以适应对经过专门训练的毕业生规模日益庞大的需求。
功率变换领域不仅变得非常重要，而且越来越复杂。一位极力模仿他人的专家如果仅对模拟电路故障诊断与排除的书进行敏锐而深入的研究是不会轻易成功的\如果你站在一个大型演讲台上并且夸夸其谈， 通常人们会认为你知道自己在说什么，他们不再寻找错误??这本身就是一个错误。" 我还记得大厦D 座的复印机发出的雷鸣般的响声不时地被我在太平洋这一边听到过的最动听的词句所打断， 我绝对不会记错！幸好我很快由我的经历明白了这样一条道理：在你犯错前帮你发现错误的人是你在公司中最好的朋友，在你犯错后帮你找出错误的人是支持你的人，在你犯错前后都只字不提的人确实让你看走了眼。要学会明辨是非。
在当今科学与工程界，我们都越来越多无一例外地受到同级的严格检查和反复核对。我们已经无法隐藏于别人错误的背后，或者大声抱怨着试图将人们的注意力从自己的错误上移开。因此我们必须学会在必要时坦白承认错误，并且承认越快越好，以避免由错误的行为或建议带来的严重后果，因为这是推动大家进步的动力。同样，我们还必须以相同标准来要求与这一领域相关的所有人。不应再把漂亮的广告宣传单、媒体演示或华而不实的在线工具当真。必须尽快提高标准。功率变换是一个复杂的领域，不仅会出现大量无心之失(这种错误我每天都犯)，并且还涌现出大量奇特的术语、可怕的公式以及那些所谓的\无奈的平衡"，听起来振振有词，实则在掩盖自己的错误如果错误是有意而为的话。所以，就算是供货商，无论他们多么趾高气扬，也必须与我们一样做同样认真的检查。这就是我理解的工程学。如果不这样做的话，我认为所有有关的成本将迅速增加。世界正变得越来越小，实际上我们已经紧密联系在一起。我们还能再滥竽充数下去吗？
最后，该说再见了。三本书已经足够，你会认同这一点。我不会再写了。所以，本书是我向你讲述人生经验的最后一次机会。我还希望这个过程能激发你的兴趣，让你有亲身经历的感觉。相信这种方式能够令你在看故事的同时也不会忘记与之相关的专业知识。因此在我最终搁笔之际，我感谢你们一直以来给予我的巨大支持。我真诚希望这本书不仅让你有所收获，还能让你爱不释手，就像我写这本书的时候一样。我估计读者会认为本书有几处过于直言不讳了，但我可以向你保证其真实性，一点也没掺假。
Sanjaya Maniktala
目录
第1 章 关于电源的思考　　 1
1.1 实践与理论：硬币的两面  1
1.2 抛开成见　　   2
1.3 谨慎地选择朋友　　 3
1.4 寻找解决问题的方法　　7
1.5 电源中的连锁反应　　7
1.6 经验很重要，对此没有假设、拖延或反对　　 　　8
1.7 不要忽视任何一个问题，问题发生时已经为时太晚　　 9
1.8 熟练使用仪器　　  10
1.9 对症下药的故障排除方法  　　 10
1.10 因果关系是第一个灾难 　　 14
1.11 从(别人的) 错误中获取经验 　　 17
1.12 与解决问题有关的问题 　　 18
第2 章高频的影响与输入去耦的重要性　　 23
2.1 大谎言与原理图　　  23
2.1.1 pcb 走线的阻抗　　  23
2.1.2 ic 内部的接地反弹　　 23
2.1.3 接地层　　  23
2.1.4 分压器及其正确布局　　 24
2.1.5 效率的测量与直流电阻　　 26
.2.1.6 开尔文感测法　　27
2.1.7 电源与地之间走线的电感　　 28
2.1.8 避免使用绕线电阻  29
2.2 职业性危害　　 29
2.3 细心观察反馈走线　　 30
2.4 物理距离成为关键　　 31
2.5 估计谐波的幅值　　  33
2.6 高频输入去耦　　  33
2.7 别忘记紧邻ic 放置0.1f 的陶瓷电容　　 34
2.8 你也需要大容量电容　　 34
2.9 \缺少的" 电流来自何处　　 35
2.10 检查你的实验电源　　38
2.11 未使用大容量电容以及电容的esr 过大会引起严重问题 　　 38
2.12 只用一个电容来抑制噪声和纹波？　 40
2.13 控制ic 也需要无噪声的电源走线　　41
2.14 升压变换器的去耦稍有不同42
第3 章输出噪声与滤波　　  43
3.1 测量输出噪声和纹波　　43
3.1.1 输出噪声和纹波，及其与输入噪声和纹波的关系(psrr)　　 44
3.1.2 接受噪声，但不接受振荡　　 45
3.1.3 噪声太严重了？尝试降低mosfet 的速度   47
第4 章明智地使用电容　　 53
4.1 简介　　 53
4.2 第1 部分：铝电解电容 　 53
4.2.1 elko 电容的结构和类型　　 53
4.2.2 免费获得阻尼电阻(esr) 　　 54
4.2.3 谨慎使用elko 电容　　 54
4.2.4 elko 电容能容忍滥用　　 55
4.2.5 elko 电容的谐振频率　　 56
4.2.6 振动测试的牺牲品 　　  56
4.2.7 elko 电容的预期寿命　　 57
4.3 第2 部分：陶瓷电容　　 62
4.3.1 mlcc 的结构　　 62
4.3.2 陶瓷电容的分类 　　  62
4.3.3 电容/电阻的标准尺寸 　　 63
4.3.4 不同的材料的esr 　　 64
4.3.5 揭开x7r 电容的面纱 　65
4.3.6 x7r 电容的温度系数　　 65
第5章 使接地层的效用最大化  73
5.1 并联输出电容以实现均流 　 73
5.2 两种解决方案的对比：开关ic与控制ic 　　  76
5.3 快速地检验铝电解电容的电流　　 76
5.4 二次侧走线电感及其对效率的影响　　  76
5.5 接地层中电流的返回路径 　 78
5.6 并联走线以降低电感　　80
5.6.1 多层板及其接地层  　81
5.6.2 同步控制器和开关ic 的死区时间　　 82
第6章 ac-dc 与dc-dc 变换器的印制电路板布局　　  83
6.1 简介　　 　83
6.2 评估板(evb) 　　  83
6.2.1 降压变换器的pcb　　 84
6.2.2 升压变换器的pcb　　 85
6.2.3 升降压变换器的pcb　　 86
6.2.4 正激变换器的pcb　　 87
6.2.5 反激变换器的pcb　　 87
6.2.6 布局时的一些要点 　　  88
6.2.7 热管理问题　　91
6.2.8 制作便于故障诊断的电路板　　 92
第7章 不使用接地层　　  98
7.1 基于384x 系列控制器的单层板　　  98
7.2 一次侧电流回路　　  99
7.3 二次侧电流回路　　100
7.4 真正的“调换”(switch)  　 103
第8 章故障诊断策略的一家之言  　105
8.1 剥洋葱　　   105
8.1.1 提出正确的问题    106
第9 章让设备有效地工作　　 124
9.1 简介　　 　124
9.2 基本设备　　   124
9.2.1 实验室须知　　 124
9.2.2 时钟的稳定性和抖动  　126
9.2.3 理解示波器显示的波形　　 127
9.2.4 变换器不稳定：与控制环有关　　 129
9.2.5 单次捕获模式示波器的捕捉问题　　 131
9.2.6 电流尖峰测试　　 132
9.2.7 高dv /dt 测试  　133
9.2.8 锡焊技巧　　133
9.2.9 世上最快的故障诊断工具　　133
9.2.10 杂项　　  134
第10 章效率原则　　  135
10.1 确保足够的驱动电压 　 135
10.2 使电容寄生参数最小 　 138
10.3 合理设计缓冲电路和钳位电路　　 138
10.4 改变频率　　 141
10.5 分时原理　　 142
10.6 正确理解降压变换器的效率曲线　　143
10.7 估计通态损耗与开关损耗之比　　 145
第11 章磁性元件、电磁干扰和噪声　　 151
11.1 愿望　　　 151
11.2 改变处理emi 问题的方式　　  154
11.3 钳位电路的位置同样能影响噪声　　 157
11.4 emi 故障诊断备忘录 　 157
第12 章论坛、数据手册以及其他实际问题　　  163
12.1 思考很关键　　  163
12.2 反复核对一切　　  163
12.3 产品责任问题　　  165
12.4 全新全意为客户　　 165
12.5 问题与解答　　  166
12.5.1 问题1 　　167
12.5.2 问题2 　　168
12.5.3 问题3 　　170
12.5.4 问题4 　　171
12.5.5 问题5 　　173
12.5.6 问题6 　　177
12.5.7 问题7 　　178
12.5.8 问题8 　　182
12.5.9 问题9 　　183
12.5.10 问题10 　　184
12.5.11 问题11 　　188
12.5.12 问题12 　　190
12.5.13 问题13 　　190
12.5.14 问题14 　　192
12.5.15 问题15 　　193
12.5.16 问题16 　　194
附录　　 　198