開關(guān)電源Buck電路CCM及DCM工作模式
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Buck開關(guān)型調(diào)整器
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202308/449284.htm
圖1
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)，斷續(xù)導(dǎo)通模式：在開關(guān)周期內(nèi)，電感電流總會到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），臨界導(dǎo)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。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)。
圖2通過電感電流曲線表示了三種不同的工作模式。
電流斜坡的中點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Iv之差為紋波電流。
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，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(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（Vin-Vout）乘以D，而S2也是矩形高度-Voutt乘以（1-D）Tsw。如果對S1和S2求和，然后再整個周期Tsw內(nèi)平均，得到：
化簡上式可以到CCM的降壓DC傳遞函數(shù)：
從上式可以看到Vout是隨D（占空比）變化的。
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，用電壓芯片ACT4065及ACT4065A實際測得的電壓波形如圖4、圖5所示，具體原因有以下兩個方面。
a. 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。
b. 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。所就閉合開關(guān)SW時間將會有助于降低尖峰電流。
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(fù)電荷需要時間來消耗，這對于功率開關(guān)管而言，是附加的損耗負擔(dān)；
5）輸出沒有脈沖紋波，但是有脈沖輸入電流。
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(dāng)隨著負載電流下降，紋波電流將整體下降，如圖2所示，當(dāng)負載電流減小到諧波峰峰值一半時，即Io=（Ip-Iv）/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，這是在DCM模式。
圖7
Buck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Vout=Vin·Ton/T。注意到此公式與負載電流參數(shù)無關(guān)，所以當(dāng)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(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)，占空比與負載電流有關(guān)，即：
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。
CCM與DCM比較
1）工作于DCM模式，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(dāng)工作于DCM模式，輸出電壓受負載影響，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。
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