数字控制全桥型DC-DC模块电源的设计_吴增魁.pdf

14 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学率变压器、同步整流电路、输出滤波电路、信号采用电路、同步整流驱动电路、全桥驱动电路、驱动隔离电路、数字控制电路、辅助源电路等组成。本产品工艺上采用多层PCB厚铜设计，变压器和电感采用平面变压器的设计方式，此设计方式可以有效地加大电感变压器的功率密度，增加电流密度，降低电感变压器的热阻，并且能够有效降低漏感1。功率变压器设计。（1）计算变比。最低输入电压时占空比最大，为满足最低输入电压时有足够增益保证输出电压稳定2，则有式（1）。（1）其中，Vinmin为最低输入电压，Dmax为最大占空比，Vo为输出电压。假设Dmax=0.45，按引言中规格要求，代入式（1）中，计算变比n=0.33。（2）计算原副边匝数。变压器磁芯选用东磁的EC25磁芯，最大磁感应强度Bmax设为0.32T，则有Np=0.95。原边匝数选取1匝，又有n=0.33,则副边匝数为Ns=3匝。输出滤波电感设计。（1）输出滤波电感感量设计。输出滤波电感上的电压电流频率为开关频率的2倍，一般取电流纹波系数=0.4，则输出滤波电感感量为式（2）（2）感量需求最大值出现在最大输入电压即占空比最0 引言随着工业科技特别是航空航天等高端科技的不断发展，对电源的需求越来越高，越来越偏向小型化、轻量化、扁平化方向发展。传统的分立电源存在体积大、功率密度低、效率低等诸多缺点，而模块电源相比分立电源，能够有效地解决分立电源的缺点，使模块电源在高端行业领域的应用越来越广泛。模块电源的优势在于功率密度大，为了达到最大的功率密度，在设计时要求线路越简化越好。而传统的模拟方案，存在线路复杂、功能实现困难、产品性能较差等缺点，数字控制的模块电源越来越受重视。1 模块电源电路设计模块电源构成。图1为该模块电源组成框图，该模块电源由输入滤波电路、全桥功率变换电路、功作者简介：吴增魁，无锡华普微电子有限公司；研究方向：电力电子、开关电源。收稿日期：2022-11-26；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述低压1/4标准砖模块电源的设计过程，分析了全桥型DC-DC变换器的工作原理，给出主功率器件设计方法，提出了软件架构，通过实验结果验证了设计的正确性。关键词：模块电源，全桥变换器，数字控制。中图分类号：TM46文章编号：1000-0755(2023)02-0014-02文献引用格式：吴增魁，何颖，沈小波，任宝利.数字控制全桥型DC-DC模块电源的设计J.电子技术,2023,52(02):14-15.数字控制全桥型DC-DC模块电源的设计吴增魁，何颖，沈小波，任宝利（无锡华普微电子有限公司，江苏 214072）Abstract The design process of low voltage 1/4 standard brick module power supply is described,the working principle of full bridge DC-DC converter is analyzed,the design method of main power device is given,the software architecture is proposed,The experimental results verify the correctness of the design.Index Terms module power supply,full bridge converter,digital control.Design on Digital Control Full Bridge DC-DC Module Power SupplyWU Zengkui,HE Ying,SHEN Xiaobo,REN Baoli(WuXi HOPE Microelectronics Co.,Ltd.,Jiangsu 214072,China.)图1 模块电源组成框图 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 15Electronics 电子学小、输出电流最大时，此时最小占空比为0.22。将最小占空比代入式（2）中，得到滤波电感Lmin=13.5H。实际输入滤波电感必须满足大于Lmin。实际取L=14H。（2）磁芯设计。磁芯选取东磁的RM7。首先选取匝数N=8匝，计算气隙长度3如式（3）。（3）其中，o=410-7，c=3000，代入式（3）得到0.22mm。计算磁感应强度Bmax=0.31T。一般要求Bmax值不能大于0.32T，所以该设计值满足要求。2 模块电源数字化控制研究本文选用TI公司的UCD3138作为数字控制器。UCD3138是基于ARM7内核和数字外设的控制器，以固件的形式优化了环路控制的数模转换模块、环路补偿器、数字脉宽调制模块，有效减小了分立器件的数量，更便于实现模块化设计。2.1 软件框架主程序主要两部分构成：后台循环程序，标准中断。UCD3138上电后进入初始化程序，其中包括DPWM模块、数模转换模块、故障保护、环路控制器和PMBus通信模块。PMBus通信能够将RAM中数据下载到数据闪存（DataFlash）里，所有的初始化程序都可以通过PMBus调用或修改。标准中断（IRQ）用于电源的故障判断和控制，标准中断（IRQ）每100s触发一次，程序设计了三个函数，分别是ADC采用、复位定时器中断、状态机。2.2 软件环路配置UCD3138环路的实现主要由前端误差AD转换器(Front-End),PID补偿调节器(Filter)以及DPWM模块三部分组成。（1）前端误差AD转换器(Front-End)。前端误差AD转换器(Front-End)是检测电压或电流信号，完成模数转换功能。UCD3138内部寄存器FeCtrl1Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE可用来配置电压环基准,其精度为1.6/(214)V/bit.因此电压基准配置方法如式（4）和式（5）。（4）（5）（2）PID补偿调节器。UCD3138的Filter部分可用来配置数字PID对前端(Front-End)所得到的误差量进行控制实现闭环控制，也可以直接配置Filter输出实现开环控制。（3）DPWM模块。UCD3138的DPWM部分在芯片内部直接连接到电压环的输出，即Filter0和Filter1的输出。最终由DPWM输出的占空比以及频率连到外部的硬件驱动电路，实现对整个电路系统的控制。2.3 状态机本文中存在两个状态机，标准中断主要是实现这两个状态机功能，这两个状态机的各状态之间状态转换流程完全一样，如图2所示。3 实验结果和数据分析表1为实验得到的测试数据。图3为动态负载条件下的输出电压纹波，从图中看出，在动态扰动下，输出电压能够快速响应并快速稳定下来，没有出现震荡或发散现象，证明系统校正补偿合适，系统稳定。4 结语本文分析了全桥DC-DC变换电路的工作原理，对功率部分主要器件进行了计算和设计，给出了软件架构，通过实验结果验证了补偿网络的准确性，通过实验测得产品指标均满足设计要求。参考文献1 时坤.开关电源变压器的优化设计及应用D.湖南：湖南大学,2013.2赵修科.开关电源中的磁性元件M.辽宁:辽宁科学技术出版社，2014.3 王志强,肖文勋,虞龙.开关电源设计M.北京：电子工业出版社，2010.图2 状态流程图图3 动态输出电压纹波表1 实验测试数据