開關(guān)電源Buck電路CCM及DCM工作模式

一、Buck開關(guān)型調(diào)整器:

二、CCM及DCM定義：

1、CCM (ContinuousConduction Mode),連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流從不會(huì)到0?；蛘哒f電感從不“復(fù)位”，意味著在開關(guān)周期內(nèi)電感磁通從不回到0，功率管閉合時(shí)，線圈中還有電流流過。

2、DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非連續(xù)導(dǎo)通模式：在開關(guān)周期內(nèi)，電感電流總會(huì)會(huì)到0，意味著電感被適當(dāng)?shù)亍皬?fù)位”，即功率開關(guān)閉合時(shí)，電感電流為零。

3、BCM（Boundary Conduction Mode），邊界或邊界線導(dǎo)通模式：控制器監(jiān)控電感電流，一旦檢測(cè)到電流等于0，功率開關(guān)立即閉合?？刂破骺偸堑入姼须娏鳌皬?fù)位”來激活開關(guān)。如果電感值電流高，而截至斜坡相當(dāng)平，則開關(guān)周期延長(zhǎng)，因此，BCM變化器是可變頻率系統(tǒng)。BCM變換器可以稱為臨界導(dǎo)通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。

圖1通過花電感電流曲線表示了三種不同的工作模式。

圖2 電感工作的三種模式：CCM、DCM、BCM

電流斜坡的中點(diǎn)幅值等于直流輸出電流的平均值，峰值電流與谷值電流之差為紋波電流。

三、CCM工作模式及特點(diǎn)

根據(jù)CCM定義，測(cè)試出降壓變換器工作于連續(xù)模式下的波形，如下圖3所示。

圖3

波形1表示PWM圖形，將開關(guān)觸發(fā)成導(dǎo)通和截止。當(dāng)開關(guān)SW導(dǎo)通時(shí)，公共點(diǎn)SW/D上的電壓為Vin。相反，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓將擺到負(fù)，此時(shí)電感電流對(duì)二極管D提供偏置電流，出現(xiàn)負(fù)降壓——續(xù)流作用。

波形3描述了電感兩端電壓的變化。在平衡點(diǎn)，電感L兩端的平均電壓為0，及S1+S2=0。S1面積對(duì)應(yīng)于開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電壓與時(shí)間的乘積，S2面積對(duì)應(yīng)于開關(guān)關(guān)斷時(shí)電壓與時(shí)間的乘積。S1簡(jiǎn)單地用矩形高度乘以，而S2也是矩形高度-t乘以（1-D）。

從上式可以看到是隨D(占空比)變化的。理想情況下，傳遞特性獨(dú)立于輸出負(fù)載。但是書上說這種描述，并不十分精確，具體的待我認(rèn)真看了再告訴大家。

其實(shí)我們?cè)倏瓷厦孀詈笠粋€(gè)波形，在開關(guān)的閉合的時(shí)候，SW/D點(diǎn)電流波形有個(gè)很大的尖峰，我自己有測(cè)的是電壓波形，用電壓芯片ACT4065及ACT4065A,如圖4、圖5所示，具體原因有以下兩個(gè)方面。

圖4????????????????????????????? ? ? ? ? ? 圖5

第一、因?yàn)樵陂_關(guān)閉合，將作用到二極管的陰極，突然中斷了二極管的導(dǎo)通周期。對(duì)于PN二極管，首先需要將正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)變回到電中性時(shí)的PN結(jié)，移去所有的少數(shù)載流子。二極管除去所有的注入電荷需要一定的時(shí)間才能恢復(fù)到它的斷開狀態(tài)，在完全恢復(fù)之前，它呈現(xiàn)短路行為。對(duì)于肖特基二極管，有金屬半導(dǎo)體硅結(jié)，它沒有恢復(fù)效應(yīng)，然而，有很大的寄生電容，也有結(jié)電容。當(dāng)二極管導(dǎo)通，一旦放電，SW很快通過放電電容作用電壓，產(chǎn)生電流尖峰。所以減緩閉合開關(guān)SW時(shí)間將會(huì)有助于降低尖峰電流。

第二、與電流形狀有關(guān)。從圖像中可以看到輸出紋波（電容電流波形）很小。輸出紋波很平滑，“無脈沖”。意味著輸出電流信號(hào)能很好地為后續(xù)電路所接受，即電源中污染較小。另外，輸入電流不僅有尖峰，而且看上去像方波。如果電感L的值趨于無窮大，輸入電流的波形就是實(shí)實(shí)在在的方波。因此，該電流是“脈動(dòng)”電流，包含大量的污染分量，比一般的正弦形狀的電流更難濾波。

方波: 由正弦波的奇次諧波組成,也就是由正弦1,3,5,7...n等頻率組成。

對(duì)于開關(guān)關(guān)斷的瞬間也有尖峰產(chǎn)生，我覺得應(yīng)該也是與二極管及SW腳的寄生電容及結(jié)電容有關(guān)。

通過以上可以總結(jié)出CCM降壓變化器的特點(diǎn)：

1、D限定在小于1，降壓變換器的輸出電壓始終小于輸入電壓；

2、如果忽略各種歐姆損耗，?變換系數(shù)M與負(fù)載電流無關(guān)；

3、通過變化占空比D，可以控制輸出電壓；

4、降壓變換器工作于CCM，會(huì)帶來附加損耗。因?yàn)槔m(xù)流二極管反向恢復(fù)電荷需要時(shí)間來消耗，這對(duì)于功率開關(guān)管而言，是附加的損耗負(fù)擔(dān)；

5、輸出沒有脈沖紋波，但是有脈沖輸入電流。

四、DCM工作模式及相關(guān)特點(diǎn)

開關(guān)器件在負(fù)載電流較大的時(shí)都是工作CCM模式，但當(dāng)隨著負(fù)載電流下降，紋波電流將整體下降，如圖2所示，當(dāng)負(fù)載電流減小到諧波峰峰值一半時(shí)，即

斜坡的最低點(diǎn)正好降到零，在這個(gè)最低點(diǎn)，電感電流為零，電感儲(chǔ)能為零。如果電感負(fù)載電流進(jìn)一步減小，電感將進(jìn)入DCM工作模式，電壓和電流波形將發(fā)生很大的變化如下圖6所示，以及傳遞函數(shù)將發(fā)生很大的變化。

圖6

從波形4，可以看到電感電流下降到0，引起續(xù)流二極管截止。如果出現(xiàn)此情況，電感左端開路。理論上，電感左端的電壓應(yīng)該回到，因?yàn)殡姼蠰不再有電流，不產(chǎn)生振蕩。但是由于周圍存在很多寄生電容，如二極管和SW的寄生電容，形成了振蕩回路。如曲線2和曲線3，出現(xiàn)正弦信號(hào)，并在幾個(gè)周期后消失，這與電阻阻尼有關(guān)。但是在實(shí)際測(cè)試中可能還是有差別的，比如我在ACT4065A測(cè)試中，測(cè)試SW/D的波形，振蕩卻在中間，如下圖7所示，供應(yīng)商工程師說這是在DCM模式，但是我沒找到相關(guān)資料進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7

Buck變壓器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都將輸出電壓控制在一個(gè)定值，即使電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式。因此很容易會(huì)讓我們產(chǎn)生誤區(qū)，認(rèn)為電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式對(duì)電路工作沒有影響。實(shí)際上，整個(gè)電路的傳遞函數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，控制環(huán)路必須適應(yīng)這種變化。

對(duì)于Buck調(diào)整器，電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式也沒什么問題。在進(jìn)入不連續(xù)模式之前，直流輸出電壓

注意到此公式與負(fù)載電流參數(shù)無關(guān)，所以當(dāng)負(fù)載變化的時(shí)，不需調(diào)節(jié)占空比D,輸出電壓仍保持恒定。實(shí)際上，當(dāng)輸出電流變化時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)稍微變化，因?yàn)镼1的導(dǎo)通壓降和電感電阻隨著電流的變化而略有變化，這需要Ton做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

進(jìn)入DCM工作后，傳遞函數(shù)將發(fā)生改變，CCM的傳遞函數(shù)將不再適用，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間將隨著直流輸出電流的減小而減小。下面是DCM工作模式下的傳遞函數(shù)，占空比與負(fù)載電流有關(guān)，即

因?yàn)榭刂骗h(huán)路要控制輸出電壓恒定，負(fù)載電阻R與負(fù)載電流成反比關(guān)系。假設(shè)Vout，Vin、L、T、恒定，為了控制電壓恒定，占空比必須隨著負(fù)載電流的變化而變化。

在臨界轉(zhuǎn)換電流處，傳遞函數(shù)從CCM轉(zhuǎn)變?yōu)镈CM。工作CCM時(shí)，占空比保持恒定，不隨負(fù)載電流而改變；工作于DCM時(shí)，占空比隨負(fù)載電流減小而改變。

通過以上可以總結(jié)出DCM降壓變換器的特點(diǎn)：

1、M依賴于負(fù)載電流；

2、對(duì)于想通的占空比，DCM下的傳遞系數(shù)M比CCM大在負(fù)載電流低工作于深度DCM,M容易達(dá)到1。

五、Buck調(diào)整器電感選擇：

為了減小進(jìn)入斷續(xù)模式時(shí)的臨界輸出負(fù)載電流，我們可以通過加大電感量L,以降低臨界輸出負(fù)載電流。使電路在期望的負(fù)載電流范圍內(nèi)工作連續(xù)模式。

按理論計(jì)算我們應(yīng)該用303uH,但實(shí)際中我們只用68uH,一部分跟成本有關(guān)，也跟我產(chǎn)品本身特點(diǎn)有關(guān)，空間要小，如果大電感根本就放不下，實(shí)際上個(gè)人覺得，夠用就行。

以下是在測(cè)試ACT4065A時(shí)，關(guān)于輸出負(fù)載電流臨界值隨電感量變化的一些波形：

1）L1=27uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=27uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形寬度減小，達(dá)到100mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 100mA

2）L1=33uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=33uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形寬度減小，達(dá)到55mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA???????????????????????????????? 55mA

3）L1=47uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=47uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形寬度減小，達(dá)到45mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????????????? 47mA

4）L1=68uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=68uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形度減小，達(dá)到30mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30mA

5）L1=136uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=136uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形寬度減小，達(dá)到20mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 20mA

6）L1=204uH,Uo=12.51V

通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L1=204uH時(shí)，負(fù)載電流逐漸加大時(shí)振蕩波形寬度減小，達(dá)到12mA時(shí)，波形在關(guān)斷時(shí)無振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正常的開關(guān)狀態(tài)。

0mA?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?12mA

綜合上以所述及測(cè)試波形來看，對(duì)于芯片ACT4065A，在電感量逐漸增大，SW關(guān)斷時(shí)，振蕩波形寬度減??；電感量越大，就能在越小的負(fù)載電流下消除振蕩波形，但在10mA內(nèi)都存在此情況。

五、CCM與DCM比較：

1、DCM是技領(lǐng)的特色，能降低功耗的，DCM模式的轉(zhuǎn)換效率更高些，屬于能量完全轉(zhuǎn)換；

2、工作于DCM模式，輸出電流的紋波比CCM大；

3、工作于DCM模式，在電感電流為0的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；

4、工作于CCM模式，輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)，當(dāng)工作于DCM模式，輸出電壓受負(fù)載影響，為了控制電壓恒定，占空比必須隨著負(fù)載電流的變化而變化。

部分內(nèi)容整理自百度文庫

審核編輯：湯梓紅