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书名: 精通开关电源设计
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书号: 978-7-115-18500-6/TN
原书名: Switching Power Supplies A to Z
原出版社: Newnes
丛书名: 图灵电子与电气工程丛书
分类: 电子电气 >> 电气工程
作者: Sanjaya Maniktala
译者: 王志强 等
出版日期: 2008-09-05
语种: 简体中文
开本: 16开
页数: 348
定价: 58.00 元人民币
 
    现在回想起来,我决定放弃物理学、开始从事电子学并非一时心血来潮。我中途转行是一个渐变的过程。随着对介子、拉格朗日乘法器、量子电动力学等兴趣的急速下降,我的分数开始降到谷底。我注意到,我的研究生老师们大都对学生不太关心,好像教学仅仅是他们不得不做的一件事情,获得研究经费才是他们真正想要的。在本科阶段极具魅力的物理学,到了研究生阶段,突然变得非常数学化、过于玄虚,与我要坚定地深入到实际(而非虚幻)的初衷相矛盾。更不幸的是,直到在芝加哥修第二个硕士学位时,我才彻底地觉醒。真是太晚了。可是,当我最后真要和物理学(必须说明,它仍然是我的朋友)告别时,就出现了一个小小的问题:我不知道下一步该干什么。我称之为我的1号问题。
    回到炎热而忙碌的印度,我花了几年时间才理出了头绪。谢天谢地!在摆弄三极管、电容、电阻、电感时,我找到了所有问题的答案,也看到了未来的希望,这是我期待已久的生命之舟。在这里我可以感觉、触摸、建造及测试任何我做的东西。不再有在复杂方程和抽象代数的迷雾中不知所措的感觉:这是一个真实的世界,一个我们日常生活的世界。
    2号问题又来了:我甚至不了解电子学的基本知识。所以不得不一点点地自学,夜以继日地工作,甚至专门向当地老资格的元件经销商请教“什么是晶体管”这样幼稚的问题。这个过程持续了很长一段时间,我昼夜工作,连续几年我基本上都学习到深夜。当然,如果不是一路上遇到几位非常杰出的学者,我也不可能获得今天的进步(见致谢)。最终在自己的努力及各方面的帮助下,我走进了电子学这个精彩的世界,走进了电力电子学。我可以将百叶窗放下来,不用再经常工作到深夜了。
    以上这一连串难忘的经历使我开始有了写这本书的想法。
    等等,上面介绍了写本书的背景,但还没解释为什么要写本书。我确实还没解释,因为还有一个大问题需要解决,我称其为3号问题——总是有一些人有意或无意阻碍对我们都有益的学科进展。现在,我自己已经走过了人生转折点(感谢电子学),所以很自然地一直认为,自己欠电子学太多,理应回报。但是我发觉不是所有人都这样想,至少不是所有时候。也许有些人家庭条件优越可以轻松获取光芒四射的麻省理工学院或耶鲁大学的EE学位。而我这样的人就没有如此幸运。不过在一些时候,我们都必须认识到,我们面对着相同的自然力量,它的存在和进一步发展与我们都休戚相关。我们的目标最终是一样的,所以也有共同的责任为此努力。学然后知不足,很奇怪有人居然无法领会下面牛顿的话中所蕴涵的谦卑之心:
    “我不知道在别人看来,我是什么样的人;但在我自己看来,我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩,为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜,对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。”
    同样,电力电子学也只是浩瀚宇宙中的一部分,我们才开始了解它,还有很多知识等着我们去发现。我们应该在我们微不足道的职业生涯中向前推进它的发展还是阻碍(哪怕是偶尔地)它呢?
    最后,当我看得多听得也多了之后,我在网上的专栏里写下了下面几句话,这引起了许多明显不明就里的人的争议(参见附录1最后一页)。
    “在管理人员说了算的公司里,技术很难获得立足点。因为在这种环境中,如果对上面全力支持就会得到慷慨的奖励,如果持有异见,将被无情地打入冷宫。而工程师只在有确切的事实和无可争议的数据支持下才愿意发表自己的观点。因此他们需要的是‘平等的环境’,在这种环境中评价主要根据从同行那里获得的尊重——上面的意见往往需要放在其次。
    当然有时候这会惹恼管理者!所以管理工程师的经理人,自身应该在技术上有相当的能力,并且能平等地尊重数据和事实。他们不能以势压人来赢得技术争论,更不能试图四处打击‘情绪化’和‘不敬上’的工程师。令人惊奇的是,这类事情发生的比我们敢于承认的要多,这不仅让优秀工程师付出了代价,长远来看也会让技术的发展付出代价!”
    我怀疑这些言论(大部分基于我敬爱的长期导师和前老板的经验)引起争议的唯一原因,是它已经比我所想象的更击中要害。显然,当人心中有鬼时,远处的报警声就会把他们吓得够呛。事情的结果是,我被告知不要再说我不懂的事情,好好设计电路就行了。我还被公司设立创作奖励基金拒绝了,我认为根据基金的条例——他们无偿地使用我的文章和畅销的电力电子书推广了公司的产品,我理应得到基金奖励。最后我明智地走为上计了。然后怪事发生了,在我辞职之后,他们按我一直宣扬的重组了机构,将以往分开的便携式电源和电源管理合并成一个部门,对内宣称“这样会使工程师们更好地共享资源”——完全是我的原话!现在想想,我的文章最后促成了原本问题多多的公司(不管他们承认与否)能够做出一些更好的设计、更多经过同行评审的产品,我还是感到很欣慰。可以肯定的是,赢家不是我,也不是那些位居高位却缺乏安全感而且心胸狭窄的经理。赢家是电子学,这对我来说已经足够了。
    直到不久之前,我还天真地认为一些大公司,特别是某些华丽总部设在硅谷以展示其实力的公司,随着时间推移已经醒悟,管理更专业:不再允许用不客观的批评打击勤奋工程师们的士气,不再允许通过公司邮件发一些不分青红皂白的冷言冷语(使员工们不时怀疑上司是否还有起码的理智),而是能够使工程师公平而不受歧视地得到努力工作的回报。但是事实上,问题太多了,对于我倾注了心血的电子学,我已经不能太肯定它在获得应得的地位。没错,大公司不断在宣布“总利润创记录”之类,但是在这种纯粹对外宣传的表面之辞背后,你必须记住他们真正的新发现是:(a)让那些极具才能的、听话的、积极的新秀工程师们多干活;(b)停掉那些亏损部门,即非核心竞争力部门(事实上,这些部门自始至终都由于管理缺陷导致工程师们无法做出改进)。另外,很容易就能想到,他们在不断解雇一些有才能或有发展前景的工程师(我认识其中一些人),原因经常是经理太差,又需要在他们同样差劲的上司面前找借口,而这些上司们也需要在他们的上司面前找借口……而最后那个处在最高层的人很可能只顾忙着数百万美金的红利,仅仅是因为他实现了公司(短期)目标!故事的结局是没有人考虑那些离开公司的工程师,事先没有任何警告,也不给机会解释——一点不像世界上任何一个普通法庭。我问自己,如果牛顿和爱因斯坦同样被这些没能力、不诚实的上级管理着,这个世界会变得像今天这么美好吗?当我想到这里时,有多少可能成为牛顿和爱因斯坦的人被这些公司打入地狱,很可能提前退休,而公司却宣称自己的模拟集成电路产品是自然的化身(“能看到听到信息”)?受害者的确切数量可能永远也无法知道。
    正如你所看到的,坦率地说我还没有找到3号问题的解决方案。可是我一直在努力,这本书就是我努力的结果。
    现在,该告诉大家在这本书中我想达到什么目标了。电源设计的一个很独特的地方,就是“细节决定成败”。也就是说:作为一个技术作者,我也可以写下任何东西(包括背景数学理论),这样会写成一本仅仅专家们喜欢的书;也可以写成一本适合初学者的简单易懂的书,但很有可能会遗漏电源设计最基本的内容——优化和设计时要考虑的利弊权衡。为了做到深浅适中,需要非常仔细地考虑内容的组织和安排,这是我在本书中努力想达到的。例如,市面上的一些书,试图一步步阐述直流变换器的详细设计过程,但是,都无一例外地遗漏了输入很少是固定电压级别这个重要的事实。输入的范围总是很宽的,必须弄清楚哪个变换器的应力在最高输入和最低输入时处于最坏状态,同时还需要知道在此过程中哪个应力需要在特定设计步骤中优先考虑。显而易见,设计一个好的电源不是一件容易的工作。第2章讲述了直流变换器设计的一般过程,希望能同时满足详尽和简单的要求。
    第1章主要介绍了什么呢?对于大多数读者来说它仅仅是个可以一带而过的介绍吗?并非如此!这个特别的介绍是从元件级别而不是像其他书一样从拓扑级别开始的。我希望即使是初学者也能理解电容电感的奥妙,然后将它们有效地联系在一起,得出开关变换器的拓扑。一个明显的事实是,所有拓扑都是从对基础元件(特别是电感)工作原理的理解衍生出来的。程度较高的读者应该注意这一点。当面试一些高级工程师时,我发现他们中很多人对电感的准确概念仍然不甚明了,所以,我认为对所有读者,无论初学者还是有经验的,按这本书的章节顺序从第1章开始阅读。但是,读这一章的时候可不要被容易有成见的经理抓住了!直接进入高级的章节看似能节约时间,但这样会使后续的进度慢得多(并且会影响你的自信心)。基本概念需要在合适的时候介绍并加以例证,这样你就能终生牢记。
    第3章我试图从相当基础的知识开始讲起,但是接着将马上加大难度,极为详细、按步骤地讲述离线式变换器和相关磁元件的设计过程,其中包含了高难度的邻近效应分析。我将最基本的过程分成两个独立的(迭代)部分——其一为金属薄片线圈,其二为圆形线圈,因为它们各自的最优化过程确实很不相同。这里也有许多曲线图,可以快速地帮助工程师们形象理解磁学设计。
    接下来本书用一章来介绍MOSFET的开关损耗,因为这个话题随着开关频率的增加变得更加重要。引用了相关文献中一些非常细致和详细的图片——突出了每个开和关独自的状态,需要时也做了一些常用的简化假设。在学习了本章后,读者从事这个本来理解不多的功率变换领域将不会再有困难。本章也有一些有用的参数化绘图信息,不仅可以方便地帮助应用工程师选择外部MOSFET,也可以帮助集成电路设计者优化芯片的驱动设计。
    关于稳定环的介绍也是由浅到深进行的,加上了很多详细的图片。我希望读者能首先容易地理解所有的闭环补偿方程。然后,即使是初学者,也可以很快地深入这个领域(正如我当年一样)。
    书中还有七章介绍EMI,从最基础的开始,上升到全数学的处理。这在许多相关文献里都是个尽量避免提到的话题,但如今又迫切需要。我认为EMI领域还需要进一步研究。为了覆盖全面,书中使用了易读的常见问题解答的形式,同时使用了一些Mathcad文件和设计电子数据表。
    可以看到,本书力求能够做到名副其实——真正符合书名中的“A to Z”本书英文原版书名为Switching Power Supplies A to Z,A to Z意为大全。——编者注①。当然那是不可能完全达到的,至少对功率变换这样包罗万象的领域来说不可能。但是我仍然为此做出了努力。现在万事俱备,我希望你喜欢这本书,虽然它只是一部不那么完整的大全。我希望通过阅读本书能对你未来的工作产生影响。在这个前言中,我讨论了对电子工程师职业道路非常重要的一些问题,这些问题从长远看,对技术本身和做技术的人——也就是你我这些工程师们的影响更大。本书谨献给我们这些默默无闻的工程师。
致谢
    这是一个很好的开始,在一个阳光灿烂的日子我走进GT Murthy博士的办公室,这改变了我的一生。博士那时是总部设在孟买的一家大型电子公司的中央研究开发部的总经理。在他世界领先的电子中心,他已经亲自遴选出许多印度最好的工程师(超过了100人),使他们聚集在一个屋檐下。幸运的是他也是学物理出身的,这当然有助于我们拥有更多共同语言。现在他已经退休了,可是他在我心中永远是完全公正、诚实、尊重事实、以身作则的人。我从他身上学到了很多知识,对我的工程师生涯影响深远。你可以把这本书看成是博士早期在印度开始的工作的延伸,因为如果没碰到博士我绝对不可能走到今天。事实上,最近几年我常见到无礼又自命不凡的经理,他们真应该好好学学博士的技术和人生方面的优点。
    还有几位此后在最要紧的时刻在我身边帮助了我。和蔼可亲的Planet Analog网站前任主编Stephan Ohr非常信任我,他给了我做一名作者的最初的信心,他的文章也给了我很多灵感。聪明、有进取心、直率的美国国家半导体公司的公关经理Mike He,虽然他不久前去了另一个公司,但一直跟我保持联系并且在任何需要的时候鼓励我。还有令人喜爱的来自Elsevier公司的Charles Glaser,他很突然地邀我写书,并自始至终地鼓励我。
    参与本书大部分章节的审稿并且帮我改进了许多的技术人员有Harry Holt,美国国家半导体公司的一个非常聪明的高级工程师,他那敏锐的眼光和直接了当的技术反馈好几次节约了我很多时间。
    我想特别提到我以前公司的一些工程师,当我写这本书的时候他们设法为我提供不可估量的安宁和积极的动力,他们是Linh Truong、Anne Lu、Michele Sclocchi、Thomas Mathews、Iain Mosley、Ricardo Capetillo、Maurice Eaglin、Shantha Natarajan、Jerry Zheng、Faruk Nome和Wallace Ly。在我现在所在的美国飞思卡尔半导体公司,我想感谢由Tim Herklots与Tony Allen组成的出色的产品定位小组,当然还有我最新的直话直说的经理Ken Lenks。
    感谢Elsevier公司的Carl M. Soarees,很晚才从一个突然离职的产品经理手中接过这个项目,并忍受我不时的不耐烦情绪,非常平稳而且专业地将项目纳入正轨。
    当然如果没有我美丽的妻子Disha和女儿Aartika的无限支持和耐心,这本书完全不可能按期完成。同样别忘了我们家最新的成员Munchi,还有许多年之前给我力量坚持下去的Chippy和Monty,一次又一次,他们在家里创造了良好的环境让我能够在不眠之夜努力下去
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