開關(guān)電源CCM和DCM工作模式.doc

.WORD完美格式. 開關(guān)電源Buck電路CCM及DCM工作模式一、Buck開關(guān)型調(diào)整器:圖1二、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?；蛘哒f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)亍皬臀弧?，即功率開關(guān)閉合時，電感電流為零。3、BCM（Boundary Conduction Mode），邊界或邊界線導通模式：控制器監(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?？刂破骺偸堑入姼须娏鳌皬臀弧眮砑せ铋_關(guān)。如果電感值電流高，而截至斜坡相當平，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通模式或CRM（Critical Conduction 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的平均值，峰值電流與谷值電流之差為紋波電流。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)成導通和截止。當開關(guān)SW導通時，公共點SW/D上的電壓為Vin。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（-）乘以D，而S2也是矩形高度-t乘以（1-D）。如果對S1和S2求和，然后再整個周期內(nèi)平均，得到（D（-）-（1-D）/ =0化簡上式可以到CCM的降壓DC傳遞函數(shù)：= D =M或M= /從上式可以看到是隨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。圖4 圖5第一、因為在開關(guān)閉合，將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，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=（-）/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，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。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，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= /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)，即或M=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，其中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= -，如圖2所示。當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=0.10.1Ion= (-)/2,或-=dI=0.2 I而且 dI=/L=(-)/L所以 因為及是額定值，所以在實際設(shè)計中，因為電感電流在的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1.1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S（5us），額定負載為300mA,按以上公式，電感量應(yīng)為：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，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)。0mA 100mA2）、L1=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，達到55mA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)。0mA 55mA3）、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，達到45mA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)。0mA 47mA4）、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)。0mA 30mA5）、L1=136uH,Uo=12.51V 通過改變負載電流大小，觀察輸出波形，在L1=136uH時，負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)。0mA 20mA6）、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，達到12mA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)。0mA 12mA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??；電感量越大，就能在越小的負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、DCM是技領(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；3、工作于DCM模式，在電感電流為0的時候，會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；4、工作于CCM模式，輸出電壓與負載電流無關(guān)，當工作于