详细移相全桥设计

2010MicrochipTechnologyInc.DS01335A_CN第1页AN1335摘要本应用笔记介绍如何采用相移全桥（Phase-ShiftedFull-Bridge，PSFB）拓扑以数字方式实现200W四分之一砖直流/直流转换器，该转换器可将电信输入36VDC-76VDC转换为输出12VDC。此拓扑结合了脉宽调制（Pulse-WidthModulation，PWM）控制和谐振转换的优点。MicrochipTechnologyInc.推出的dsPIC33F“GS”系列数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）用于对开关电源转换器进行数字控制。dsPIC33F“GS”系列器件的架构结合了专用数字信号处理器（SignalProcessor，DSP）和单片机。这些器件支持当今电源行业所使用的所有功率转换高新技术。除此之外，dsPIC33F“GS”系列器件还能控制闭环反馈、电路保护、故障管理和报告、软启动以及输出电压排序。基于DSC的开关电源（SwitchedModePowerSupply，SMPS）设计可减少元件数量，并且所具备的高可靠性和灵活性能让模块化构造重复使用设计。选择适合的PWM模块、模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）、模拟比较器、振荡器和通信端口等外设对于设计优质电源而言十分关键。本文还将基于MATLAB®的模拟结果与实际测试结果相比较，并在随后章节展开讨论。简介近来，中间总线转换器（IntermediateBusConverter，IBC）在电信电源行业中日趋流行。大多数电信和数据通信系统都包含ASIC、FPGA和集成式高端处理器。这些系统在多个低输出电压下需要大电流并具有严格的负载调整度。传统上，大功率电源会带来不同的负载电压。在传统的分布式电源架构（DistributedPowerArchitecture，DPA）中，前端交流/直流电源产生24V/48V电压，独立的隔离砖转换器支持所需的低系统电压。在需要极低电压的场合，这些系统变得效率低下且成本高昂。在中间总线架构（IntermediateBusArchitecture，IBA）中，IBC产生12V/5V电压。此外，用负载点（PointofLoad，PoL）将这些电压逐步降低至所需的负载电压。在IBA中，高密度功率转换器、IBC和PoL都处于负载点附近，这可以改善性能，进而带来可观的经济利益。由于这些转换器都接近负载点，因而PCB的设计会变得简单，损耗也会降低。电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）也会显著减小，这是因为大电流线路的走线长度已被昀大程度缩短。由于这些转换器的位置合理，瞬态响应将会十分理想，系统性能也会得以改善。现代系统需要电压排序、转换器之间负载共享、外部通信和数据记录功能。传统的开关电源设计利用模拟PWM控制实现所需的稳压输出，而额外的单片机则执行数据通信和负载排序。要充分发挥IBC的优势，所设计的转换器必须具有更少的元件数、更高的效率和密度，并且成本更低。通过将PWM控制器、通信和负载共享集成到单个智能控制器中，便可满足这些需求。dsPIC33F“GS”系列DSC在单个芯片中结合了这些设计特点，适用于总线转换器。本应用笔记中讨论的主题包括：•直流/直流功率模块的基本结构•四分之一砖直流/直流转换器的拓扑选择•DSC配置选择和控制模式•隔离式PSFB四分之一砖直流/直流转换器的硬件设计•平面磁件设计•数字PSFB四分之一砖直流/直流转换器设计•数字控制系统设计•数字控制式负载共享•MATLAB建模•非线性数字控制技术•电路原理图和实验室测试结果•测试演示作者：RameshKankanalaMicrochipTechnologyInc.使用dsPIC®DSC的相移全桥（PSFB）四分之一砖直流/直流转换器参考设计AN1335DS01335A_CN第2页2010MicrochipTechnologyInc.图1：分布式电源架构（DPA）图2：中间总线架构（IBA）交流/直流直流/直流砖转换器直流/直流砖转换器直流/直流砖转换器负载负载负载负载负载3.3VDC2.5VDC1.8VDC负载隔离层24V/48V总线电源隔离层中间总线转换器（IBC）PoLPoLPoLPoLPoLPoLPoL=负载点交流/直流24V/48V总线1.3VDC1.8VDC1.5VDC1.2VDC1.0VDC0.8VDC负载负载负载负载负载负载12V/5V总线电源2010MicrochipTechnologyInc.DS01335A_CN第3页AN1335四分之一砖转换器分布式电源开放标准联盟（Distributed-PowerOpenStandardsAlliance，DOSA）制定了单输出引脚四分之一砖直流/直流转换器的规范。这些规范适用于输出电流昀高为50A的所有四分之一砖转换器（未稳压、半稳压和全稳压）。IBA中的交流/直流转换器输出为48V。用隔离式IBC将此电压进一步降低至12V的中间电压。使用PoL将此电压进一步降低至所需的低电压。DOSA四分之一砖直流/直流转换器仅以直插式封装配置提供。四分之一砖转换器的优点包括：•增强的动态响应•昀高封装密度•增强的转换器效率•提供负载端附近的隔离•输出电压纹波低于所需限制直流/直流功率模块的基本构造在讨论四分之一砖转换器的设计方向之前，应该先了解以下要求：•输入电容•输出电容•远程开/关控制•纹波和噪声•远程检测•强制风冷•过压•过流输入电容对于具有严格输出调整要求的直流/直流转换器，建议在四分之一砖转换器的输入端使用一个1µF/W输出功率的电解电容。在四分之一砖转换器设计中，这些电容位于转换器的外部。输出电容为达到负载端的动态电流要求和输出电压调整，必须添加额外的电解电容。作为一项设计准则，在四分之一砖转换器设计中，可以加上100µF/A至200µF/A的输出电容，并且可使用多个电容并联来获得较低的等效串联电阻（EquivalentSeriesResistance，ESR）。远程开/关控制远程开/关控制用于通过外部控制信号启用或禁用直流/直流转换器。昀常见的方式是从初级侧（输入侧）启用或禁用转换器。由于控制器存在于隔离势垒的次级侧，所以必须使用隔离电路将信号从初级侧传送至次级侧。可使用光电耦合隔离器达到此效果，如图3中所示。图3：远程开/关纹波和噪声整流器的输出由直流分量和交流分量组成。交流分量也称为纹波，是不需要的分量，会导致整流器输出产生脉动。纹波是功率转换器开关和滤波动作的产物，其频率为功率转换器工作开关频率的整数倍。会在功率转换器开关频率的整数倍处产生噪声，这是小寄生电容在功率转换器运行期间快速充电和放电所引起的。噪声振幅很大程度上依赖于负载阻抗、滤波元件和测量技术。远程检测在采用长走线/电线连接负载时，远程检测可用于补偿设置电压中的压降。在无需远程检测的应用中，可将检测引脚连接至对应的输出引脚。1GNDU远程开/关—（I/P）+3.3VANA发信号至DSCCDIG_GND远程开/关CRRAN1335DS01335A_CN第4页2010MicrochipTechnologyInc.强制风冷为了排除高密度电路板贴装电源中的热量，使用风扇进行强制风冷。强制风冷使得所需的PCB尺寸和散热片大幅减小。但是，安装风扇会消耗额外的功率，产生噪音，而且维护要求也很高。在强制风冷SMPS应用中，转换器的可靠性主要依赖于风扇。温度检测电路用于监视温度，并在四分之一砖转换器的温度超过昀大工作温度时关闭转换器。过压为了保护负载电路免受因转换器内部电路工作失常而导致的过大额定电压，需要采用过压保护机制。可通过闩锁模式或逐周期模式实现该保护。在闩锁模式中，电路会在发生过压故障时处于OFF状态，直至重新接入输入电压为止。在逐周期模式中，系统会自动恢复。如果系统中仍然存在故障，系统会切换为OFF（关闭）并重复此循环。过流过流保护可防止转换器受到短路或过载情况的损害。在间断模式中，如果发生过流或短路，则转换器会关闭并在指定的时长后恢复。如果故障仍然存在，转换器将再次关闭并重复此循环。在闩锁模式中，只有在重新提供输入功率后才会恢复电路。拓扑选择总线转换器的规范已经标准化，并用作或作为昀终系统中的一个元件。用户必须考虑末端系统的特性，如可靠性、效率、尺寸和成本。总线转换器没有通用的拓扑。不过，下文将介绍直流/直流转换器应用经常采用的一些拓扑及其各自的优缺点。PWM开关拓扑总体分为硬开关拓扑和软开关/谐振拓扑两类。一般而言，高频开关的功率转换器通过采用小型磁件和滤波器来减小转换器的尺寸和重量。这又会增大转换器的功率密度。然而，高频率的开关动作会在开关打开或关闭时产生较高的开关损耗，从而导致转换器效率降低。软开关技术通过控制功率器件的开/关来降低PWM转换器的开关损耗。可使用零电压开关（ZeroVoltageSwitching，ZVS）和零电流开关（ZeroCurrentSwitching，ZCS）技术来实现软开关。这些软开关技术的设计有一定的复杂度，但在高功率水平下可以产生较高的效率。非隔离正激模式降压转换器如果所需的输出电压总是低于规定的输入电压，则可从降压、升压和降压/升压三种基本拓扑中选择降压转换器。降压拓扑有隔离和非隔离两种实现方式。按照总线转换器的规范要求，为此应用选择了隔离转换器设计。在正激模式降压转换器中，当初级侧开关打开时，能量从初级侧传递到次级侧。可根据输入电压和负载电流来改变占空比，从而控制输出电压。可利用来自输出的反馈环实现此目的，此反馈环控制转换器的占空比以保持稳压输出。图4：非隔离正激模式降压转换器隔离正激转换器在正激转换器中，当开关Q1打开时，能量从输入端传递到输出端。在此期间，二极管D1正向偏置，二极管D2反向偏置。功率从D1和L1流向输出端。在开关Q1关闭期间，变压器（T1）的初级电压的极性会因初级电流的变化而反转。这还会强制T1的次级电压极性反转。现在，次级二极管D2正向偏置，并将Q1打开期间在电感中存储的能量续流。这种简易的拓扑可用于100W的功率级别。正激转换器拓扑的常用变型有主动复位正激转换器、双晶体管正激或双端正激转换器。Q1C1L1D1VOUT+VOUT-VIN+VIN-2010MicrochipTechnologyInc.DS01335A_CN第5页AN1335图5：隔离正激转换器推挽转换器推挽转换器属于双晶体管拓扑，其在转换器的变压器T1上使用分接式初级。开关Q1和Q2按照各自的占空比导通，并且初级的电流方向发生变化，从而产生双极性的次级电流波形。此转换器更适用于低输入电压的应用，因为所采用的分接式初级变压器导致电压极限值是输入电压的两倍。图6：推挽转换器半桥转换器半桥转换器也称为双开关转换器。输入电压值的一半由两个输入电容C1和C2产生。变压器的初级在VIN+和输入返回VIN-之间交替切换，使得变压器的初级只承受一半的输入电压（VIN/2）。输入开关Q3和Q4测量昀大输入电压VIN，将其与推挽转换器的2*VIN进行比较。这样可使半桥转换器使用较高的功率等级。图7：半桥转换器全桥转换器全桥转换器的构造中使用了四个开关：Q1、Q2、Q3和Q4。呈对角的开关Q1和Q4或Q2和Q3同时导通。这样就在变压器的初级绕组上提供了完整的输入电压（VIN）。在转换器每半个周期中，对角的开关Q1和Q4或Q2和Q3导通，并且变压器的极性会在每半个周期中反转。在全桥转换器中，给定功率下的开关电流和初级电流与半桥转换器相比将减半。这使得全桥转换器适用于高功率等级。图8：全桥转换器但是，对角的开关采用硬开关，当其导通和关断时会导致较高的开关损耗。这些损耗随着频率的增大而增大，这又会限制工作频率。为了尽量避免这些损耗，推出了PSFB转换器。在此拓扑中，开关在放电后才导通。这就消除了导通时的开关损耗。D2L1C1T1Q1D1VIN+VIN-VOUT+VOUT-VIN-+Q2D1D2L1C1Q1V