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、CCM及DCM定義:1、CCM (Continuous Conduction Mode)，連續(xù)導通模式：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?shù)亍皬臀唬垂β书_關(guān)閉合時， 電感電流為零。3、BCMBoundary Conduction Mode，邊界或邊界線導通模式：控制器 監(jiān)控電感電流，一旦檢測到電流等于 0,

2、功率開關(guān)立即閉合?？刂破骺偸堑入姼?電流“復位來激活開關(guān)。如果電感值電流高，而截至斜坡相當平，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通模式 或 CRMCritical Con duction 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，如以下圖3所示。圖3波形1表示PWM圖形，將開關(guān)觸發(fā)成導通和截止。當開關(guān) SW導通時，公 共點SW/D上的電壓為Vi

3、n。相反，當開關(guān)斷開時，公共點SW/D電壓將擺到負， 此時電感電流對二極管D提供偏置電流，出現(xiàn)負降壓一一續(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Vn-Vm丨乘以DTsw，而S2 也是矩形高度-Voutt乘以1-DTsw。如果對S1和S2求和，然后再整個周期Tsw 內(nèi)平均，得到D Vin-VoutTsw-Vout 1-DTsw/ Tsw=0化簡上式可以到CCM的降壓DC傳遞函數(shù)：Vout= D Vin=MVn 或 M=Vout/Vn從上

4、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 輸出負載。但是書上說這種描述，并不十分精確，具體的待我認真看了再告訴大 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, 如圖4、圖5所示，具體原因有以下兩個方面。TekM Pos： o.xx$KASIP.f. I -f泗/0點電卄述捲CHI WCV6 12l6cHCH1 / J <10Ht1459如HlTek JL SiooMF«fluOOai按顯亍屏按鈕以改發(fā)鴛心4JRE干均值第一、因為在開關(guān)閉合，

5、將Vn作用到二極管的陰極，突然中斷了二極管的導通周期。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 復到它的斷開狀態(tài)，在完全恢復之前，它呈現(xiàn)短路行為。對于肖特基二極管，有 金屬半導體硅結(jié)，它沒有恢復效應(yīng)，然而，有很大的 寄生電容，也有結(jié)電容。當 二極管導通，一旦放電，SW很快通過放電電容作用電壓 Vn，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

6、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

7、續(xù)流二極管反向恢復電荷需 要時間來消耗，這對于功率開關(guān)管而言，是附加的損耗負擔；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)器件在負載電流較大的時都是工作 CCM模式，但當隨著負載電流下 降，紋波電流將整體下降，如圖2所示，當負載電流減小到諧波峰峰值一半時， 即l° =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)生很大的變化如以下圖 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

8、 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)。但是在實際測試中可能還是有差異的，比方我在 ACT4065A測試中，測試SW/D的波形，振蕩卻在中間，如以下圖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。圖7Buck變壓器在整個負載范圍內(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)，認為電感進入不連續(xù)工作模 式對電路工作沒有影響。實際上

9、，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 V°ut= Vin Ton/T。注意到此公式與負載電流參數(shù)無關(guān)，所以當負載變化的時，不需調(diào)節(jié)占空比 D,輸出電壓仍保持恒定。實際上，當輸 出電流變化時，導通時間也會稍微變化，因為 Q1的導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?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)，占空比與負載電流有關(guān)

10、，即Vout=DVi n?2D.D2 (8L/RT)或M=2DD D2 (8L/RT)因為控制環(huán)路要控制輸出電壓恒定，負載電阻 R與負載電流成反比關(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，不隨負載電流而改變；工作于 DCM時，占空比隨負載電流減小而改 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大在負載電流低工作于 深度DCM,M容易到達1。五、Buck調(diào)整器電感選擇：為了減小進入

11、斷續(xù)模式時的臨界輸出負載電流，我們可以通過加大電感量 L,以降低臨界輸出負載電流。使電路在期望的負載電流范圍內(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 通常為額定負載電 流的10%, 0.1 Ion，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dI= lp-lv，如圖2所示。當電流等于電感電流斜坡峰峰值 般時，真好是為臨界狀態(tài)，即即將進入不連續(xù)工作模式，那么lo(min)=0.10.1IO n= (lp-lv )/2，或 Ip- IV=dl=0.2 I Ion而且dl = Vl Ton /l=( Vin -Vout )Ton /L所以

12、(Vn-Vout) Ton(V.-Vout) Tondl0.2Ion因為Vn及Ion是額定值，所以5( Vin-Vout) VoTVnlon在實際設(shè)計中，因為電感電流在lon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1.1lon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。比方采用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 10-6S5us，額定負載為300mA,按以上公式，電感量應(yīng)為：6333 10303uH5 (18-12.49) 12.49 4.77 10-618 0.3按

13、理論計算我們應(yīng)該用 303uH,但實際中我們只用 68uH, 局部跟本錢有關(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通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在 L1=27uH時，負載電流逐漸加大 時振蕩波形寬度減小，到達100mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正 常的開關(guān)狀態(tài)。類型112,：n-3J信源CHIH3.)0nHIkH光標2 -UOjLS 180VM Pts -82O*bCLFlSCR+類型OmA55mAM Ph: -

14、e20JQrw47uH 4M47uiiOJfiSOS 類型 m-HIkJM Rttfc 和伽fhASUF£出平均IS3、L1=47uH,Uo=12.51V通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在 L1=47uH時，負載電流逐漸加 大時振蕩波形寬度減小，到達45mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正 常的開關(guān)狀態(tài)。幾0mA47mA4、L1=68uH,Uo=12.51V通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在L1=68uH時，負載電流逐漸加0mA100mA2、L仁33uH,Uo=12.51V通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在 L1=33uH時，負載電流逐漸加 大時振蕩波形寬度減小，到

15、達55mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正 常的開關(guān)狀態(tài)。MSOOtnJ他；CH1：；*：? I ? L JSIffl髓細檢鈕以改契血iMSOOm尢杯2 -58 Dis 200mVZ 25W-' CHI 5J»VMSOQfts能 14:10J rsoiomSi 1282M4Z3(gOVM Po£-82(Mktf MEASUREj平均橙*117VFCH12J2VM Pts -1,220a27uH OmA-1.20 dllvf (-6 C uvj使用生用途旋鈕#爛霜怖2M Pts -1,220屈 CLtlSORrfASURECHI 平覽?12JV光標】12.6 V

16、27uH 1 IOibA1_ J 一MSOOwpui yCH1大時振蕩波形度減小，到達30mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正常 的開關(guān)狀態(tài)。Tek JL TltHM說-K馳t；kJVBWdMPm-42O«H MEASURE6BuH* 訃!' : |m1 趙 Tff沖標1r申42UV1 _ 1 1| 1I- n 1El - I'1 1MSOOm按顯示屏按鈕以改矍Si0mA30mA5、L仁 136uH,Uo=12.51V通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在 L仁136uH時，負載電流逐漸加 大時振蕩波形寬度減小，到達20mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正

17、 常的開關(guān)狀態(tài)。6、L1=204uH,Uo=12.51V通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在 L1=204uH時，負載電流逐漸加 大時振蕩波形寬度減小，到達12mA時，波形在關(guān)斷時無振蕩波形產(chǎn)生，到達正 常的開關(guān)狀態(tài)。Ifek 幾 nTH?d TriedM臥-S2dXins雁芯罔ECHi+CUTCHI DW ：光標彳-iiI-TBk幾蝕旬MRfi：CURSORTek.ILM 血：埔2站阡hCASURE136uH OmA4'類型1B6jH M0U*kHMKI ； J1住予牛3UI1 P信源聞At 1.040ahmu- i j自點HH?&V 1JB0V : ' ;麵率；二Q11-Dw Cyx; I iwM 500m-15-5ep-12 1453按顯示屛按鈕以改刪efil / 2t聊0mA20mAnrM5Q0ri$15-$ep-12 ISffi0mA12mA綜合上以