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

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 2010 Microchip Technology Inc. DS01335A_CN 第 1 页

AN1335

摘要

本应用笔记介绍如何采用相移全桥（Phase-Shifted

Full-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

36 V

DC-76 VDC 转换为输出 12 VDC。此拓扑结合了脉

宽调制（Pulse-Width Modulation， PWM）控制和谐

振转换的优点。

Microchip Technology Inc.推出的 dsPIC33F “GS”系列

数字信号控制器（Digital Signal Controller， 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（Signal

Processor， 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（Switched Mode Power

Supply， 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-Digital

Converter，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（Intermediate Bus Converter，

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（Distributed Power Architecture，

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（Intermediate Bus Architecture，IBA）中，

IBC产生12V/5V电压。此外，用负载点（Point of Load，

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（Electromagnetic Interference， EMI）也会

显著减小，这是因为大电流线路的走线长度已被最大程

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：

Ramesh Kankanala

Microchip Technology Inc.

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

 2010 Microchip Technology Inc. DS01335A_CN 第 3 页

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四分之一砖转换器

分布式电源开放标准联盟（Distributed-Power Open

Standards Alliance，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

流最高为 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

• 最高封装密度

• 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 1 µF/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 100 µF/A 至 200 µF/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（Equivalent Series Resistance， 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。最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。

GND

远程开 / 关 —（ I/P）

+3.3V ANA

发信号至 DSC

DIG_GND

远程开 / 关

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DS01335A_CN 第 4 页  2010 Microchip Technology Inc.

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

换器的温度超过最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，并用作或作为最终系统

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（Zero Voltage

Switching， ZVS）和零电流开关（Zero Current

Switching， 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。

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