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深入剖析主板电源设计及环路稳定性能

深入剖析主板电源设计及环路稳定性能

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作者: 老童著

出版社: 北京航空航天大学出版社

出版时间: 2016-11

版次: 1

ISBN: 9787512419001

定价: 49.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

丛书: 工程师经验手记

分类: 工程技术

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　　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。
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
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

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