開關(guān)電源CCM和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：SW/D二、CCM及DCM定義：1、CCM (Continuous Conduction Mode)，連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個開關(guān)周期內(nèi),電感電流從不會到0。或者說電感從不“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，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)，電感電流總會會到0,意味著電感被適當(dāng)?shù)亍皬?fù)位”，即功率開關(guān)閉合時， 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

2、 監(jiān)控電感電流，一旦檢測到電流等于0,功率開關(guān)立即閉合?？刂破骺偸堑入姼?電流“復(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，貝U開關(guān)周期 延長，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 ConductionMode)。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電流斜坡的中點幅值等于直流輸出電流I。的平均值，峰值電流Ip與谷值電流IV之差為 紋波電流 。三、CCM工作模式及特點根據(jù)CCM定義，測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

3、關(guān)SW導(dǎo)通時， 公 共點SW/D上的電壓為Vin。相反，當(dāng)開關(guān)斷開時，公共點SW/D電壓將擺到負(fù)，此時電感電流對二極管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，電感L兩端的平均電壓為0， 及S1+S2=0。S1面積對應(yīng)于開關(guān)導(dǎo)通時電壓與時間的乘積，S2面積對應(yīng)于開關(guān) 關(guān)斷時電壓與時間的乘積。S1簡單地用矩形高度(-/訊)乘以DTsw，而S2也是矩形高度-匕八乘以(1-D)Tswo如果對S1和S2求和，然后再整個周期Tsw內(nèi)平均，得到(D(Vin-Vout)Tsw-Vout(1-D)Tsw)/Tsw=0化簡上式可以到CCM的降壓DC傳遞函數(shù)：Vout=DVi

4、n=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。其實我們再看上面最后一個波形，在開關(guān)的閉合的時候，SW/D點電流波形 有個很大的尖峰，我自己有測的是電壓波形，用電壓芯片ACT4065及ACT4065A,圖4圖5第一、因為在開關(guān)閉合，將Vin作用到二極管的陰極，突然中斷了二極管的導(dǎo)通周期。對于PN二極管，首先需要將正向?qū)〞rPN結(jié)變回到電中性時的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

5、路行為。對于肖特基二極管，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Vin，產(chǎn)生電流尖峰。所 以減緩閉合開關(guān)SW時間將會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實在在的方波。因此，該電流是“脈 動”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

6、成，也就是由正弦1,3,5,7.n等頻率組成。對于開關(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：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，會帶來附加損耗。因為續(xù)流二極管反向恢復(fù)電荷需 要時間來消耗，這對于功率開關(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)特點開關(guān)器件在負(fù)載電流較大的時都是工作CCM模式，但當(dāng)隨著負(fù)載電流下 降，紋

7、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，即1。=( lp-lv)/2,斜坡的最低點正好降到零，在這個最低點，電感電流為零，電 感儲能為零。如果電感負(fù)載電流進一步減小，電感將進入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Vout，因為電感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，并在幾個周期后消 失，這與電阻阻尼有關(guān)

8、。但是在實際測試中可能還是有差別的，比如我在ACT4065A測試中，測試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)資料進行驗證。Jek JL IN JM Pw； -asaom .Ul .ul0口A類型THif VI卜1 i i 1 i iiJJi t ii 1 j i * i m t強訕HiAVQW1=iS； ：_L光標(biāo)T-4,20Vrm1-6M 1M如伽15-Sep12 103圖7Buck變壓器在整個負(fù)載范圍內(nèi)都將輸出電壓控制在一個定值，即使電感進入不連續(xù)工作模式。因此很容易會讓我們產(chǎn)生誤區(qū)，認(rèn)為電感進入不連續(xù)工作模 式對電路工作沒有影響。

9、實際上，整個電路的傳遞函數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化， 控制環(huán)路 必須適應(yīng)這種變化。對于Buck調(diào)整器，電感進入不連續(xù)工作模式也沒什么問題。在進入不連續(xù)模式之前，直流輸出電壓Vout=VinTon/T。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，不需調(diào)節(jié)占空比D,輸出電壓仍保持恒定。實際上，當(dāng)輸出 電流變化時，導(dǎo)通時間也會稍微變化，因為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)，即因為控制環(huán)路要

10、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，占空比 保持恒定，不隨負(fù)載電流而改變；工作于DCM時，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：1、M依賴于負(fù)載電流；2、對于想通的占空比，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容易達到1。五、Buck調(diào)整器電感選擇：為了減小進入斷續(xù)模式時的臨界輸出負(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

11、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%,0.1G，其中Ion是額定輸出電流并等于電感電流斜坡的中間值)時， 電感也保持連續(xù)。電感電流斜坡為dl=lp-lv，如圖2所示。當(dāng)電流等于電感電流斜坡峰峰值 一般時，真好是為臨界狀態(tài)，即即將進入不連續(xù)工作模式，則IO(min)=0.10.1Ion=( Ip- Iv)/2,或Ip-Iv=dI=0.2I Ion而且dI=VLTON/L=(Vin-Vout)TON/L所以Vout=DVi n?2D.D2(8L/RT)或 M=2DD . D2(8L/RT)(%-Vo J(Un-Vo JdI0.2Ion5( Vi

12、n-Vout)VOT在實際設(shè)計中，因為電感電流在Ion的土10%范圍內(nèi)波動，電感的設(shè)計應(yīng)該 保證它在直流電流為l.llon時仍保持不明顯飽和，因為電感工作在飽和狀態(tài)，感 抗將急劇下降，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 10-6S（5us），額定負(fù)載為300mA,按以上公式，電感量應(yīng)為：-6L5（18-12.49）佗4977 10333 106303uH18 0.3按理論計算我們應(yīng)該用 303uH,但實際中我們只用 68uH, 一部分跟成本有關(guān)，也跟我產(chǎn)品本身特點有關(guān)，空間要小，如果大電感根

13、本就放不下，實際上個人覺得，夠用就行。以下是在測試ACT4065A時，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，負(fù)載電流逐漸加大 時振蕩波形寬度減小，達到100mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，達到正 常的開關(guān)狀態(tài)。lek JL HWd M ftK -1CURSOR lek JL H TridM RK-1.220JKKASUFC2）、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，負(fù)載電流逐漸加 大時振蕩波形寬度減小，達到55mA時，波形在關(guān)斷時無振

14、蕩波形產(chǎn)生， 達到正 常的開關(guān)狀態(tài)。因為Vn及Ion是額定值，所以VJon27uH 0mAr類型.j; A1鼻0mA100mA便用翕用途旋鈕赫閱鑰和1_M50(hJCH1垂直位-1,20 divt (-6.00V)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，負(fù)載電流逐漸加 大時振蕩波形度減小，達到30mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生， 達到正常 的開關(guān)狀態(tài)。ifkIUH戈nAOmA30mA5）、L仁136uH,Uo=12.51V通過改變負(fù)載電流大小，觀察輸出波形，在L仁136uH時，負(fù)載電流逐漸加大 時振蕩波形寬度減小，達到20mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生， 達到正常 的開關(guān)狀態(tài)。33uH OmA.lekJLJ.Uuil itmA1*FLTR? 阿J I儷眄1wci+iM500n$15-Sep-12阿應(yīng)閘鈾0m_.|丄SUiZ0mA12mA綜合上以所述及測試波形來看， 對于芯片ACT4065A， 在電感量逐漸增大,SW關(guān)斷時，振蕩波形寬度減小；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、DCMH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