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在电子世界的浩瀚星空中，电源如同那颗不灭的恒星，为无数电子设备提供着生命之源。从简单的手电筒电池到复杂的服务器电源系统，每一种电源的背后都凝聚着工程师们的智慧与汗水。那么，这神奇的电源究竟是如何被“炼成”的呢？让我们一同揭开它的神秘面纱。

初始构想：需求驱动设计

一切的开始，源自于对电能转换与分配的需求。无论是为了驱动LED灯泡的微弱光芒，还是支撑服务器24小时不间断运行，电源的设计首先需要明确其应用场景和性能指标。工程师们会根据这些需求，制定出电源的基本规格，包括输入电压范围、输出电压与电流、转换效率、尺寸限制以及安全标准等。

原理探索：选择适合的拓扑结构

在明确了电源的需求后，工程师们开始探索适合的电路拓扑结构。不同的应用场景对电源的性能要求各异，因此选择合适的拓扑结构至关重要。例如，对于需要高效率、小体积的便携式设备，开关电源因其高转换效率和灵活的电压调节能力成为首选；而对于对纹波要求极高的精密仪器，则可能需要采用线性电源来确保输出电压的稳定性。

精细设计：元器件选型与布局

确定了拓扑结构后，工程师们开始着手进行元器件的选型和电路的布局设计。元器件的选型不仅关乎到电源的性能指标，还直接影响到其成本、可靠性和寿命。因此，工程师们会综合考虑元器件的电气参数、封装形式、散热性能以及供应商的可靠性等因素，进行精心挑选。同时，电路的布局也需要优化，以减少信号干扰、提高散热效率并满足EMC要求。

环路稳定：控制策略与补偿网络

对于DC-DC转换器等需要闭环控制的电源，环路稳定性是设计的关键。工程师们会设计合适的控制策略，如PWM（脉冲宽度调制）或PFM（脉冲频率调制），以实现对输出电压的精确调节。同时，为了确保控制环路的稳定性，还需要设计合理的补偿网络，以调整环路的增益、相位和带宽等特性，避免因负载变化或输入电压波动而引起的输出电压波动。

严格测试：验证与优化

设计完成后，电源还需要经过严格的测试来验证其性能是否符合要求。测试内容通常包括输入电压范围测试、负载调整率测试、效率测试、EMC测试以及安全性测试等。在测试过程中，工程师们会根据测试结果对设计进行必要的优化和调整，以确保电源的性能达到最佳状态。

持续改进：创新与技术迭代

电源设计并非一蹴而就的过程，而是一个持续改进和创新的过程。随着电子技术的不断发展和应用需求的不断变化，电源的设计也需要不断进行技术迭代和性能提升。例如，随着新能源技术的发展，越来越多的电源开始采用可再生能源作为输入源；随着物联网技术的普及，电源的设计也需要更加注重智能化和远程监控等特性。

在电源炼成的这个过程中，工程师们通过不断探索和创新，将电能转换为满足各种应用需求的稳定电能输出。正是这份对技术的执着追求和对品质的严格把控，才铸就了今天我们所使用的各种电源产品。

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《硬件十万个为什么（电源是怎样炼成的）》

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亮点

中国电子学会“电子信息人才能力提升工程”系列教材。

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• 从元件分解到基础拓扑，深入理解电源组成。
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• 从理论设计到仿真优化，一站式进阶电源设计！

内容简介

本书聚焦于DC/DC电源领域，涵盖了国产化芯片的应用范例。全书分为四个部分，每个部分都深入探讨了电源领域的关键主题。首先，从电源的概念出发，介绍了稳压电源的发展历史、电源的分类及各种电源的基本原理；其次，详细讲解了开关电源的各种拓扑结构，深入研究了基本原理与设计；然后，通过数学基础讲解、电路分析，详细讨论了闭环稳定性评判标准和环路补偿电路的应用；最后，结合实际设计过程探讨了电源的工程问题，包含有关电源完整性、DC/DC的EMI优化及电源的测试和新技术的内容。

本书从基础知识到高级技术，不仅详细介绍了电源技术的理论知识，还结合实例分析，帮助读者深入理解电源设计的方法，为实际工程应用提供了全面而深入的指导。

通过这本书，硬件工程师可以系统地学习和理解DC/DC电源的各个方面，并能应用到实际中。非常适合电子工程、自动化控制等相关专业的师生及工程技术人员阅读，无论是电源技术的初学者还是专业人士，都能从中获得宝贵的知识和经验。

作者简介

王玉皞
博士，二级教授，博士生导师，IET Fellow，IEEE Senior Member，中国通信学会高级会员，教育部首批创新创业导师，“井冈学者”特聘教授，江西省百千万人才工程入选者，上饶师范学院党委副书记，江西省应用光学技术重点实验室主任。

朱晓明
“硬件十万个为什么”创始人，拥有约20万硬件工程师粉丝。曾任华为硬件经理、维护经理、产品经理、产品规划师、系统设计师。有近20年硬件研发经历，参与设计及维护的硬件产品种类非常丰富，包括海军装备、电信设备硬件平台、监控安防、服务器、智能终端等。

谢建宇
浙江大学硕士，电力电子研究方向。十多年设计及技术支持从业经验。原MPS汽车电子FAE经理，杰华特微电子股份有限公司市场总监，擅长DC/DC的原理和应用，以及EMC优化。

目录

第一部分 基础知识
第1章 电源的概念
1.1 稳压电源的发展历史
1.2 电源的分类
1.2.1 按照电压转换类型分类
1.2.2 按照转换原理进行分类
1.3 开关电源按是否隔离进行分类
1.4 开关电源的调制方式
1.5 开关电源的CCM、DCM、BCM模式
1.6 同步与非同步电源
1.7 电源芯片规格书要点
1.8 有效电流的概念
1.9 有效电流的计算
第2章 电源电路的基本元器件
2.1 电阻在电源电路中的应用
2.2 电容在电源电路中的应用
2.3 电感在电源电路中的应用
2.4 MOSFET在开关电源中的应用
2.4.1 开关管为什么选MOSFET而非三极管
2.4.2 MOSFET的关键参数
2.4.3 MOSFET打开和闭合的过程
2.4.4 为什么选择增强型MOSFET做开关管
2.4.5 MOSFET的寄生体二极管
2.4.6 MOSFET的SOA的具体分析
2.5 变压器在电源电路中的应用
第3章 线性电源的原理与设计
3.1 线性调整器的工作原理
3.2 线性电源的实现方式
3.3 线性电源输出电容与输入电容
3.4 线性电源的关键参数
3.5 低压差线性稳压器
第二部分 开关电源的拓扑结构
第4章 各类电源拓扑的基本原理
4.1 开关电源的三个基本拓扑
4.2 开关电源的各种拓扑结构之间的关系
4.3 开关电源的各种拓扑的特性对比及选择
第5章 Buck电路的原理与设计
5.1 Buck电路的工作过程
5.2 Buck电路的输出电感
5.3 Buck电路的输入电容
5.4 Buck电路的输入电感
5.5 Buck电路的输出电容
5.6 Buck电路的Boot电容(自举电容)
5.7 Buck电路的输出电流检测
5.8 Buck电路的效率与损耗
5.9 Buck电路的多相拓扑设计
第6章 Boost电路的原理与设计
6.1 Boost电路的工作过程
6.2 Boost电路的电感选型
6.3 Boost电路的CCM模式与DCM模式
6.4 Boost变换器的二极管
6.5 Boost变换器的输入电容
6.6 Boost变换器的输出电容
第7章 反极性Buck-Boost电路的原理与设计
7.1 反极性Buck-Boost电路的工作过程
7.2 反极性Buck-Boost电路的电感选型
7.3 反极性Buck-Boost电路的输出电容选型
7.4 反极性Buck-Boost的CCM模式和DCM模式
7.5 反极性Buck-Boost的MOSFET和二极管选型
第8章 其他非隔离拓扑的原理与设计
8.1 Cuk 电源工作原理
8.2 Zeta电源工作原理
8.3 SEPIC电源工作原理
8.4 四开关Buck-Boost电源原理及工作过程解析
第9章 隔离DC/DC电源的原理与设计
9.1 为什么需要隔离电源
9.2 “正激”和“反激”
9.3 反激隔离式开关电源的工作过程
9.4 反激式开关电源的反馈
9.5 反激式开关电源的变压器基本原理
9.6 反激式开关电源的变压器的关键参数
9.6.1 什么是磁畴
9.6.2 磁芯的材料
9.6.3 什么是气隙
9.6.4 什么是漏感
第三部分 开关电源的控制器和控制理论
第10章 环路控制的数学基础
10.1 开关电源环路的基本概念
10.2 傅里叶级数概述
10.3 从傅里叶级数到傅里叶变换
10.4 从傅里叶变换到拉普拉斯变换
10.5 传递函数与波特图
10.6 零点和极点
10.7 拉普拉斯变换的收敛域
第11章 环路控制的电路分析
11.1 电容基础特性探讨
11.2 RC滤波电路的频域和时域特性探讨
11.3 典型LC滤波器的频域分析
11.4 单极点系统的频域分析
11.5 积分器的频域分析
11.6 闭环稳定性的评判标准
11.7 环路补偿电路
11.8 线性电源的环路分析
第12章 电源控制器
12.1 开关电源为什么需要控制系统
12.2 开关电源控制为什么比想象中复杂
12.3 如何理解功率级
12.4 为什么误差放大器会影响系统的响应速度
12.5 定频控制
12.6 变频控制
第四部分 电源的工程问题
第13章 电源完整性
13.1 电源完整性基础
13.1.1 什么是电源完整性
13.1.2 电源分配网络
13.1.3 目标阻抗
13.2 ADS 电源完整性仿真流程
13.3 电源完整性直流仿真分析
13.3.1 建立直流仿真
13.3.2 选择电源网络并确定参数
13.3.3 分离元件参数设置
13.3.4 供电端VRM设置
13.3.5 用电端Sink设置
13.3.6 设置Options
13.3.7 运行仿真及查看仿真结果
13.4 电源完整性电热仿真
13.4.1 建立电热仿真分析
13.4.2 热模型设置
13.4.3 设置Options
13.4.4 运行仿真及查看仿真结果
13.5 电源完整性交流分析
13.5.1 VRM、Sink设置
13.5.2 电容模型设置
13.5.3 仿真频率和Options设置
13.5.4 运行仿真并查看仿真结果
13.5.5 产生原理图和子电路
13.5.6 优化仿真结果
第14章 DC/DC的EMI优化
14.1 电磁兼容的概念
14.2 dB、dBm、dBμV
14.3 EMI的要求和规范
14.4 噪声的频谱
14.5 传导和辐射发射噪声及其测量
14.6 传导共模和差模噪声
14.7 辐射发射测试
14.8 近场和远场
14.9 噪声源的抑制
14.9.1 抑制高频电流环路引起的噪声源
14.9.2 抑制高频开关节点引起的噪声源
14.9.3 通过扩频抑制噪声源
第15章 电源的测试
15.1 DC/DC电源测试技巧
15.2 电源测试主要项目
15.3 电源效率测试
15.4 纹波和噪声测试
15.4.1 电源纹波和电源噪声的定义
15.4.2 如何提高芯片噪声测量的准确性
15.4.3 电源噪声和纹波的测试工具
15.4.4 地线的处理
15.5 开机和保护测试
15.6 电源稳定性测试
15.7 电源动态响应测试
15.8 电源环路稳定性测试
第16章 电源新技术
16.1 PoE技术
16.2 USB供电技术
16.3 PMIC技术
16.4 数字电源技术

前言/序言

电能可以高效地转化为热能、动能、声能和光能，也可以很方便地转化为信息（信息熵），这是当今社会应用最广泛的能量形式之一。

富兰克林的风筝让人类认识到闪电所蕴含的能量，第二次工业革命让人类真正找到利用电能的方法。以今天的视角回看，使用以工频变压器、旋转变流机和汞弧整流器为代表的电力设备对电能进行粗糙的变换，标志着人类驯服电能的开始。随着信息技术和控制理论的快速发展，电力电子技术应运而生，人类找到了通往精细电能变换的途径。第三次工业革命中，电子信息产业爆发式增长，为各类电源系统提供了广阔市场。进入21世纪后，随着AI、移动互联网、可穿戴设备、新能源等技术的蓬勃涌现，人们对电能质量的要求一再提高。例如，服务器的 CPU 供电系统需要在输出数百安培电流的同时保证mV级的动态稳压精度，以确保系统稳定运行；高端CMOS图像传感器依赖nV级的超低噪声供电以确保图像质量；智能手表依赖超低静态功耗的小体积电源以确保长期续航；风光电及储能系统依赖MPPT、动态均衡等控制算法以确保安全高效。

如今，对于刚入行的电子工程师来说，不论是简单的小电流稳压还是较为复杂的电池充放电及保护，在性能要求不高的情况下都可以基于现成的电源芯片快速实现。然而要设计出适配更复杂应用场景、满足更高性能指标的电源系统，需要综合考虑输入输出范围、噪声、效率、速率、精度、体积等因素，要求工程师在拓扑选择、器件选型、布局布线等环节下足功夫，依赖工程师扎实的理论基础和丰富的实践经验。