開關(guān)電源CCM與DCM工作模式

1、.word 格式 .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)?“復(fù)位 ”，即功率開關(guān)閉合 時(shí) ，電感電流為零 。3、BCM (

2、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 。控制器總是 等電感電流 “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 ，則開 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 Conduction Mode )。專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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(diǎn)幅值等于直流輸出電流 Io 的平均值 ， 峰值電流 Ip 與谷值 電流

3、 I V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。專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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

4、時(shí)間的乘積 。 S1簡單地用矩形高度 ( Vin - Vout )乘以 DTsw ， 而S2也是矩形高度 - Vout t乘以(1-D ) Tsw 。如果對(duì) S1和S2求和，然后再整個(gè) 周期 Tsw 內(nèi)平均，得到D( Vin - Vout )Tsw-Vout1-D) Tsw )/ Tsw =0化簡上式可以到 CCM 的降壓 DC 傳遞函數(shù) ：專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .Vout= D Vin=M Vin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 。但是書上說這種描述 ，并不十分精確 ，具體的待我認(rèn)真看了再告訴

5、 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) ，它沒有恢復(fù)效應(yīng) ，然而，有很大的寄

6、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(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)電路所專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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

7、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)

8、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，以及傳遞函數(shù)將發(fā)生很 大的變化 。專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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 ，

9、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 工程師說這是在 DCM 模式 ，但是我沒找到相關(guān)資料進(jìn)行驗(yàn)證 。專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .圖7Buck 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

10、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 Vout = Vin Ton /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(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

11、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Vin?2D 2DVout= 2 或 M= 2D D2 (8L / RT) D D2 (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)載電流專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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。通過以上可以總結(jié)出 D

12、CM 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 。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%，0.1Ion，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一

13、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L ( Vin -Vout) Ton ( Vin -Vout ) TonL dI 0.2I on因?yàn)閂in及I on是額定值 ，所以專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .L5( Vin -Vout ) VOTVin Ion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

14、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 4.7710-6 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)人覺得 ，夠用就行 。以下

15、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)專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .0mA100mA2）、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)0mA55mA3）、L1=47u

16、H,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)0mA47mA專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .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)0mA30mA5）、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)0mA20mA6）、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)專業(yè)資料 . 學(xué)習(xí)參考.word 格式 .到正常的開關(guān)狀態(tài)0mA12mA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) ，振蕩波形寬度減小