開關(guān)電源CCM及DCM工作模式

1、開關(guān)電源 Buck 電路 CCM 及 DCM 工作模式、 Buck 開關(guān)型調(diào)整器 :二、CCM 及 DCM 定義：1、CCM (Continuous Conduction 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(shuō)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(guò)。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

2、)，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。控制器總是等電感 電流“復(fù)位”來(lái)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(guò)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 電流斜坡的中點(diǎn)幅值等于直流輸出電流 I o的平均值，峰值電流 Ip與谷值電流 IV 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

3、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( Vin -Vout )乘以 D Tsw ，而 S2 也是矩形高度 -Voutt乘以(1-D)Tsw。如果對(duì) S1和 S2求和，然后

4、再整個(gè)周期 Tsw 內(nèi)平均，得到(D( Vin - Vout ) Tsw -Vout (1-D)Tsw)/ Tsw=0 化簡(jiǎn)上式可以到 CCM 的降壓 DC 傳遞函數(shù)：Vout = D Vin =MVin 或 M= Vout /Vin從上式可以看到 Vout 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(shuō)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,圖4 圖 5 第一、因?yàn)樵陂_關(guān)閉合，將

5、Vin 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(méi)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(guò)放電電容作用電壓 Vin ，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(wú)脈沖”。意味著輸出

6、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(wú)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(jué)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(guò)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(wú)關(guān)；3、通過(guò)變化

7、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(lái)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(lái)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(méi)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 Io =（ Ip -Iv）/2,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

8、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 Vout ，因?yàn)殡姼?L 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(shuō)這是在 DCM 模式，但是我沒(méi)找到相關(guān)資料進(jìn)行驗(yàn)證。圖7Buck 變壓器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都

9、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(méi)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(méi)什么問(wèn)題。 在進(jìn)入不連續(xù) 模式之前，直流輸出電壓 Vout = Vin Ton /T。注意到此公式與負(fù)載電流參數(shù)無(wú)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)?Q1 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

10、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Vout=DVin?2DD2 (8L/ RT)或 M=2DDD2 (8L/ RT)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)?DCM 。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(guò)以上可以總結(jié)出

11、 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(guò)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。一般，電感的選擇應(yīng)保證直流輸出電流為最小規(guī)定電流 (通常為額定負(fù)載電 流的 10%，0.1 I on ，其中 Ion 是額定輸出電流并等于電感電流斜坡的中間值)時(shí)， 電感也保持連續(xù)。電感電流斜坡為 dI= Ip-Iv，如圖 2 所示。當(dāng)電流等于電感電流斜坡峰峰值

12、一般時(shí)，真好是為臨界狀態(tài)，即即將進(jìn)入不連續(xù)工作模式，則I O (min)=0.1 0.1Ion= ( I p - Iv )/2,或 I p - I v = dI=0.2 I Ion而且dI=VL TON /L=( Vin -Vout )TON /L所以( Vin -Vout) Ton ( Vin -Vout ) TondI0.2Ion因?yàn)閂in及 I on是額定值，所以5( Vin -Vout ) VOTVinIon在實(shí)際設(shè)計(jì)中，因?yàn)殡姼须娏髟?Ion 的± 10%范圍內(nèi)波動(dòng)，電感的設(shè)計(jì)應(yīng)該 保證它在直流電流為 1.1 I on 時(shí)仍保持不明顯飽和，因?yàn)殡姼泄ぷ髟陲柡蜖顟B(tài)，感 抗將急

13、劇下降，直至失去電感作用，造成電路工作異常。比如采用 ACT4065A 電源芯片， 輸入電壓為 18V,輸出電壓為 12.49V,開關(guān)周 期大約為 4.77 10-6 S（5us），額定負(fù)載為 300mA,按以上公式，電感量應(yīng)為：-6L 5 （18-12.49） 12.49 4.77 10-6 333 10 6 303uH18 0.3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(jué)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

14、=27uH,Uo=12.51V通過(guò)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(wú)振蕩波形產(chǎn)生，達(dá)到正 常的開關(guān)狀態(tài)。0mA100mA2）、L1=33uH,Uo=12.51V通過(guò)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(wú)振蕩波形產(chǎn)生， 達(dá)到正 常的開關(guān)狀態(tài)。0mA55mA3）、L1=47uH,Uo=12.51V0mA47mA4）、L1=68uH,Uo=12.51V通過(guò)改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在 L1=68uH 時(shí)，負(fù)載

15、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(wú)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(guò)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(wú)振蕩波形產(chǎn)生， 達(dá)到正 常的開關(guān)狀態(tài)。6）、L1=204uH,Uo=12.51V通過(guò)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(wú)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(lái)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