由于实验中的变压器以及其他器件的寄生参数都比较大， 实验频率比仿真频率要大很多。 反激变换器实验参数为输入 50V，输出 15V，频率 100kHz。 图 8 为实验中加与不加吸收电路 的 Vds 的波形。
经仿真和实验结果的对比发现，加入 RCD 和 RC 吸收网络 之 后 得 到 的 Vds 波 形 明 显 比 没 有 加 入 吸 收 网 络 的 Vds 波 形 稳 定很多，尖峰电压和谐振尖刺都得到了有效的吸收和抑制，谐振 效果明显，从而验证了文中分析
UCD3138 是 TI 公司最新推出的隔离电源专用 的 数 字 控 制 芯片，采用了将环路补偿控制与监控通信分离的优化硬件架构， 解决了控制系统与通信系统抢用 MCU 资源的矛盾。
UCD3138 的内核上含有三个独立的数字控制环路外设，也 被称为数字电源外设（DPP），每个 DPP 执行一个 高 速 数 字 控 制 环路，此 环 路 由 一 个 专 用 的 差 分 模 数 转 换 器 （EADC）、一 个 基 于 双 极 点 双 零 点 数 字 补 偿 器 PID 和 具 有 250ps 脉 宽 分 辨 率 的 DPWM 输出组成。 它们相互协作产生 PWM 波输出，工作时无需 微控制器参与，节省了 MCU 的资源。
（2）输 出 电 容 设 计
输出电容的容值主要影响到输出电压纹波△UO， 纹波大小 应低于输出电压的 0．5％，故 C 应满足：
C≥ LIO △I UO △UO
式中，UO、IO 分别为电源的输出电压、输出电流。 同时，为降 低输出电压中的低频和高频谐波，输出电容采用 4 个 220μF 钽
电容，6 个 47μF 瓷介电容并联。
另 外 ，还 利 用 UCD3138 的 ADC 模 块 设 计 了 输 入 、输 出 过 流打嗝保护，输入过压、欠压保护，输出过压保护，过温保护等电 路，由于篇幅有限，就不再赘述了。 3 实验结果
依据设计的硬件电路和软件控制参数，编写控制程序，搭建 试验样机，进行试验验证，实验结果如图 5～图 7 所示。
主 功 率 回 路 是 全 桥 PWM DC ／ DC 变 换 器 ， 主 要 由 全 桥 式
图 1 基于 UCD3138 的数字电源硬件电路系统框图
逆变器、高频变压器、输出同步整流器和直流滤波器组成，属于
一种直流－交流－直流变换器。 综合考虑输入输出电压范围，变
压器的匝比选为 5:2:2。
（1）输 出 滤 波 电 感 设 计
（上接第 149 页）
载条件下效率可以达 到 94％。 此 外 ，电 源 的 输 入 电 压 调 整 率 和
由以上实验波形可以看出， 所设计的模块电源具有较好的 负载调整率都基本为零。
输入输出特性， 输出纹波仅有 48mV；50％到 100％负载输出电 压波动约为 0．4V，低于额定输出电压的 5％，恢复时间 500。
本 文 的 设 计 目 标 为 36V～72V 直 流 输 入 ，12V 直 流 输 出 ，满 载 30A， 开 关 频 率 200kHz 带 同 步 整 流 的 数 字 控 制 DC ／ DC 全 桥变换器。基于 UCD3138 的数字电源硬件电路系统框图如图 1 所示，可分为功率回路和控制系统两部分。 2．1 功率回路设计
电 子 技 术 ，2002 ，26 （6 ）：54－57 ［5］刘树林，曹晓生，马一博．RCD 钳位反激变换器的回馈能耗分析及设
计 考 虑 ［J］．中 国 电 机 工 程 学 报 ，2010 ，30 （33 ）：7－9 ［6］ 杨 立 杰．多 路 输 出 单 端 反 激 式 开 关 电 源 设 计 ［J］．现 代 电 子 技 术 ，2007 ，
实 时 监 控 、 配 置 外 设 与 通 信 管 理 是 由 31．25MHz、32 位 ARM7TDMI－S 精简指令微控制器实现的。 它支持整合数字电源 设 计 图 形 用 户 界 面 （GUI）。 用 户 可 利 用 GUI 开 发 界 面 ， 通 过 PMBUS 总线，与 UCD3138 互联，监控电源工作状态，配置外设 寄存器，即可调整控制环路的 PID 参数，也可调整输出电压，开关 频率等相应的寄存器，故可在降低成本与功耗的同时简化开发。
2．2 控制系统设计
（1）功 率 管 驱 动 设 计
原边功率管驱动采用简单、可靠的双极性驱动方式，斜对角
的 开 关 管 Q1、Q4 和 Q2、Q3 为 两 对 桥臂，同时导通和截止。 同步整流
器的主要目的是减小整流损耗，其
同步整流管的驱动信号必须与变
换器主功率管的通 ／断协调， 满足
如下关系：
SR1 ＝Q軓1 ＝Q軓4
图 8 有无吸收电路的 Vds 实验波形 ［3］赵 志 英 ，龚 春 英 ，秦 海 鸿．高 频 变 压 器 分 布 电 容 的 影 响 因 素 分 析 ［J］．
中 国 电 机 工 程 学 报 ，2008 ，28 （9）：55－60 ［4］曾 光 ，金 舜 ，史 明．高 频 高 压 变 压 器 分 布 电 容 的 分 析 与 处 理 ［J］．电 力
级 同 步 整 流 管 采 用 3 个 该 型 MOSFET 并 联 ， 以 降 低 其 导 通 损
耗，满载时使每个 MOSFET 工作在满载电流的 1 ／ 3 左右的最佳
工作点。
同时由于输出端电流较大，为保护输出同步整流管，降低输
出端电流电压尖峰，为同步整流管添加 RC 吸收电路，吸收电 阻
R＝20Ω，吸收电容 C＝1000pF。
SR2 ＝Q軓2 ＝Q軓3全桥换器的驱动波形如图2 所示。
图2
（2）控 制 环 路 设 计
全桥 PWM DC ／ DC 变换 器驱动波形
为获得较高性能的 DC ／ DC 全桥电源， 本设 计 采 用 带 输 入
电压前馈的电压模式控制器，控制结构框图如图 3 所示，其中，
GvrPID （s）、GviPID （s） 为数字补偿环路的
（3）主 功 率 管 和 同 步 整 流 管 的 选 择
依据输入、输出电压、电流及开关频率等因素，在预留安全
《工业控制计算机》2016 年第 29 卷第 1 期
149
余 量 的 情 况 下 ， 选 取 采 用 型 号 为 FDMS86202 的 N 沟 MOS-
FET。 该器件耐压为 120V，额定电流 64A，导通阻抗 7．2mΩ。 次
输 出 滤 波 电 感 的 取 值 主 要 取 决 于 输 出 电 流 纹 波 △IO，一 般 取
为最大输出电流的 20％，故 L 的取值应满足：
L≥ Uin D（1－2D）TS
N
△IO
其 中 ，Uin 为 输 入 电 压 ，N 为 变 压 器 原 副 边 匝 比 ，D 为 占 空
比，TS 为功率管开关周期。 最终择优选取 L＝2．2。
152
的吸收电路情况下，开关管 S 两端漏源间电压 Vds 的不同波形。 本文设计了一个 51V 输入，15V 输出，频率为 25kHz 的反激
变换器。 图 7 给出了加入不同吸收电路对 Vds 波形造成的影响。
分布参数对反激变换器的影响分析
图 7 有无吸收电路加入情况下的 Vds 波形 4．2 实验
图 5 主功率管和同步整流管驱动波形
图 6 V0（VIN＝48V，I0＝30A）满载时输出电压纹波（Vrip＝48mV）
图 4 控制环路的 BODE 图
图 7 V0，I0（Vin＝48V） 50％到 100％负载，输出电压动态波形（200mV ／ div，200μs ／ div）
（下转第 152 页）
本 文 以 TI 公 司 的 针 对 隔 离 式 DC ／ DC 电 源 专 用 控 制 芯 片 UCD3138 作 为 研 究 对 象 ，介 绍 了 其 数 字 控 制 特 点 ，并 以 其 为 控 制 核 心 设 计 了 一 款 36V～72V 直 流 输 入 ，12V 直 流 输 出 ， 满 载 30A，带 同 步 整 流 的 数 字 控 制 DC ／ DC 全 桥 变 换 器 ，峰 值 效 率 可 达 94％以上。 1 UCD3138 数字控制器的主要特点
30（6）：23－26 ［7］ 邹 华 昌 ， 乔 江 ， 宋 浩 谊 ． 开 关 电 源 的 缓 冲 电 路 设 计 ［J］． 微 电 子 学 ，
2008，38（1）：141－144 ［收 稿 日 期 ：2015．8．1 ］
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路的建模与 BODE 图绘制，从 而 可 以 十 分 方 便 进 行 双 极 点 双 零
点的 PID 参数设计。 依据之前设计的主电路参数和试凑法获得
的环路补偿参数，控制环路的 BODE 图如图 4 所示。 其中，红线为补偿环路 BODE 图，绿线 为 功 率 环 路 BOEDE
图，蓝线为整个环 路 BODE 图 。 穿 越 频 率 为 4kHz，远 远 小 于 开 关频率 200kHz，相位裕度为 40°，满足环路稳定条件。
传 递 函 数 ，Gvi（s） 为 输入电压对输出电
压扰动的传递函数，
GPWM （s）、Gvd （s） 为 PWM 环 节 和 功 率 图 3 带输入电压前馈的电压环全桥模型框图
环节的传递函数。
对 于 UCD3138 的 双 极 点 双 零 点 PID 环 路 补 偿 参 数 设 计 ，
可利用 TI 公司提供的 GUI 进行主电路、控制电路和整个功率回
该 控 制 器 还 包 含 12 位 、267ksps、14 通 道 的 通 用 ADC，定 时器，中断控制，JTAG 调试和 PMBus（电源业界的通讯标准）以 及 UART 通信端口。
UCD3138 有 40 引 脚 和 64 引 脚 两 个 版 本 ，功 能 差 异 不 大 ， 只是功能外设的数量上有些增减，综合本设计的需求，本文选用 40 引脚，6mm*6mm 大小的 UCD3138RHA 作为主控芯片。 2 数字电源系统设计