Buck-電路中的CCM和DCM

1、Buck 電路中的CCM和DCM降壓電路是一種基本的DC/DC變換器。隨著IPM驅(qū)動(dòng)和MCU供電、LED照明驅(qū)動(dòng)、繼電器和交流開(kāi)關(guān)供電等小功率、直接從母線電壓供電的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多，而目前的大部分DC/DC變換器輸入電壓一般在50V以內(nèi)，一種高壓的降壓型斬波變換器被研究和使用得越來(lái)越廣泛?？紤]到降壓電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、成本較低，因此這種變換器具有良好的市場(chǎng)前景。本文對(duì)其原理和高壓降壓電路應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。降壓電路拓?fù)浞治鰣D1是降壓拓?fù)涞碾娐穲D。當(dāng)t=0時(shí)驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，電源Uin向負(fù)載供電，電感電流iL線性上升。當(dāng)t=ton時(shí)控制S關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，電感電流呈線性下降。圖1：降壓拓?fù)潆娐穲D。

2、 根據(jù)電感電流是否連續(xù)，可分為連續(xù)電流模式(CCM)、不連續(xù)電流模式(DCM)和臨界電流模式(BCM或CRM或TM)。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且紋波小。但是小功率SMPS中為了減小噪聲以及損耗，通常選定電感電流不連續(xù)模式(DCM)。CCM和DCM下的各參數(shù)波形如圖2所示。 推薦精選圖2：CCM和DCM下主要參數(shù)波形。 1. BCM和CCM設(shè)IL為iL的平均值，iL是iL的紋波值。則在BCM和CCM模式下：  穩(wěn)態(tài)時(shí):     又  從(3)和(4)得：  從(1)、(2)和(5

3、)得： 在CCM下, (5)取>號(hào)   在BCM下, (5)取等號(hào)， => L=R*Ts*(1-D)/22. DCM設(shè)圖2中t1處iL=0，且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。則穩(wěn)態(tài)時(shí) L上電壓開(kāi)關(guān)周期平均值為0:  C在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電流平均值為0: iL的平均值：IL=iL*(D+a)/2<iL/2Load電流： Io=Uo/R推薦精選    根據(jù)(7)、(8)和(4)得: 0.5*(Uin-Uo)/L*D*Ts*Uin*D/Uo=Uo/R  且: K=2*L/(D2

4、*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。圖3：各模式下Uo/Uin的比值變化圖。 降壓仿真 使用SACT軟件對(duì)降壓電路進(jìn)行仿真。若輸出電壓Uo=15V、輸入電壓Uin=220V，則選取驅(qū)動(dòng)脈沖P1占空比D=Uo/Uin=15/310=0.04839。選取R=75，則輸出電流Iout=15/75=0.2A。取頻率為f=100kHz，按照臨界電感電流模式(CRM)來(lái)設(shè)計(jì)，L=R*T*(1-D)/2=75*(1-0.04839)/(2*100kHz)=0.71mH。相應(yīng)的電路和波形如圖4所示。波形從上而下分為：Vdc1，Vds(SW)，VR1、IL1和ID1。推薦精選

5、圖4：降壓拓?fù)潆娐贩抡鎴D。 實(shí)現(xiàn)降壓電路的控制器A635x1. A635x方框圖 STR-A635x系列是內(nèi)置功率MOSFET和控制器的Flyback型開(kāi)關(guān)電源用厚膜集成電路。A635x為PRC工作方式，采用DIP-8封裝，最適于小功率電源。由于所需外接器件很少，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)?g，因此容易實(shí)現(xiàn)電源的小型化和標(biāo)準(zhǔn)化。注：PRC為Pulse Ratio Control(關(guān)斷時(shí)間一定的導(dǎo)通脈沖寬度控制)的縮寫。推薦精選圖5：A635x的方框圖。 A635x特點(diǎn)： 小型DIP-8絕緣封裝，適合于低背、小容量開(kāi)關(guān)電源。 使用On Chip Trimming技術(shù)，振蕩器內(nèi)置于控制器MIC中。 控制器內(nèi)部的比

6、較器使用了溫度補(bǔ)償，溫度漂移小。 電源啟動(dòng)前控制器的工作電流小(50Amax)。 內(nèi)置有源低通濾波器，使電源在輕負(fù)載時(shí)能穩(wěn)定工作。 使用高耐?RMOSFET，保證MOSFET的雪崩能量： 由于保證MOSFET的雪崩能量，因此可以簡(jiǎn)化浪涌吸收電路的設(shè)計(jì) 可免除Vdss的余量設(shè)計(jì) 內(nèi)置MOSFET的定電壓驅(qū)動(dòng)電路 豐富的保護(hù)功能 過(guò)電流保護(hù)(OCP)：逐個(gè)脈沖方式 過(guò)電壓保護(hù)(OVP)：鎖定方式推薦精選過(guò)熱保護(hù)(TSD)：鎖定方式A635x的方框圖如圖5所示。2. PRC控制定電壓控制是以固定MOSFET的OFF時(shí)間(?P15sec)、調(diào)節(jié)ON 時(shí)間的PRC工作方式進(jìn)行。該工作方式為PRC方式。圖

7、6:PRC定電壓控制動(dòng)作電路圖。 輸出電壓的定電壓控制是由光耦的反饋電流實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)VR5電壓(ID的峰值)+VR4電壓(FB電流)之和達(dá)到Comp.1 反轉(zhuǎn)閾值時(shí)MOSFET關(guān)斷。故A63系列為電流控制方式。一般的，在電流控制方式下輕載時(shí)VR4的電壓較大(由于光耦的反饋量較大)，MOSFET導(dǎo)通時(shí)的浪涌電流產(chǎn)生的噪聲易使Comp.1誤動(dòng)作。A63系列為了防止這種現(xiàn)象，在MOSFET關(guān)斷期間使用一個(gè)A-LPF降低OCP/FB端子與GND間的阻抗。這是一個(gè)0.8mA 的定電流電路，在MOSFET導(dǎo)通前，流入OCP/FB的定電流降低反饋電流產(chǎn)生的偏置電壓，使電源能在輕載時(shí)穩(wěn)定工作。與ST的Viper

8、12相比，兩者的反饋方式和開(kāi)關(guān)電流設(shè)置等特點(diǎn)如表1所示。表1：ST與Viper12對(duì)比表。 應(yīng)用實(shí)例推薦精選1.參數(shù)選擇電感Lp:在PWM動(dòng)作模式下，電感選擇可依據(jù)： 其中：Po為輸出功率，Idp為開(kāi)關(guān)電流峰值，fsw為開(kāi)關(guān)頻率。在PRC動(dòng)作模式下，并且處于電感電流臨界模式時(shí)， 式中：R是負(fù)載電阻，T是開(kāi)關(guān)周期。計(jì)算例 Uin.ac=90V時(shí)，Idp=0.236A，Po=1.5W，fsw=59.2kHz(根據(jù)5.3節(jié)動(dòng)作波形)。于是，Lp(2Po)/(Idp2*fsw)=2*1.5W/(0.236) 2*59.2kHz=0.8?mH。若要計(jì)算臨界電感電流模式(BCM)下的電

9、感值，可根據(jù)(2)式：Lb=0.5*(Uo/Io)*Toff=0.5 *(15V/0.1A)*15s=1.125mH。由于現(xiàn)在采用的電感Lp=0.77mH輸入電容Cin:上式中：I是放電電流，是效率，U為輸入電壓的紋波值，t是電容向負(fù)載釋放電流的期間，T是整流周期，t由下式計(jì)算： ，其中Uinmin與Upeak分別為輸入交流Uin的最小、最大值。計(jì)算實(shí)例 Uin.ac=90V是條件最苛刻的狀態(tài)，按此電壓計(jì)算，Upeak=90*1.414=127.3V，Uinmin=90*1.414*0.9=114.6V，全波整流下T=10ms。所以，t=10ms*(0.75+arcsin(114.6

10、/127.3)/2)=10ms*(0.75+0.18)=9.3 ms。取效率=0.6,推薦精選則：Cin=(1.5W*9.3ms)/(0.6*114.6*(127.3-114.6)=16.9 F。本實(shí)驗(yàn)中，輸入電容的值取為22F/400V。輸出電容Cout:式中：Uo是輸出紋波電壓，D是占空比，L是輸出電感值，Ts為開(kāi)關(guān)周期。計(jì)算實(shí)例 Ton=Lp*(Idp/Uin.min-Uo)=0.77mH*0.236A/(114.6-15)V=1.83s，T =Ton+Toff.max=1.83+18=19.83s 。T =19.83s，D=Ton/T=9.23%，Uo=15V*1%=0.15V，則：C

11、out=(19.83s)2*15V/(8*0.75V*0.77mH)*(1-9.83%)=5.76F。本實(shí)驗(yàn)中，輸出電容的值取為10F/35V取即可滿足要求。2.應(yīng)用電路圖基于上述計(jì)算，主要參數(shù)選取為：電感為0.77mH，續(xù)流二極管為RL3A，輸出電容400V/22F，輸出電容35V/10F，OCP電阻Rocp=2.7，啟動(dòng)電阻1M。反饋電路的參數(shù)為14A的穩(wěn)壓二極管和1k的電阻。A635x構(gòu)成降壓應(yīng)用電路，詳細(xì)請(qǐng)參考圖7。推薦精選圖7：A635x構(gòu)成降壓應(yīng)用電路。 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1.效率：見(jiàn)表2。表2：典型輸入電壓下電源效率。 2.輸出靜態(tài)性能：見(jiàn)表3。表3：輸出靜態(tài)性能。 3. 動(dòng)作波形實(shí)驗(yàn)條件：Uin.ac=90V(除非特別指出)，Load=15V/0.1A 。波形如圖8所示。推薦精選圖8:動(dòng)作波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖。 本文小結(jié)STR-A635x構(gòu)成的降壓電路DC/DC變換器能正常工作，輸出能滿足規(guī)格要求。利用A635x中的MOSFET，構(gòu)成