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高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

一、高频开关电源Buck开关型调整器:
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

二、高频开关电源CCM及DCM界说:
1、高频开关电源CCM (ContinuousConduction Mode),接连导通形式:在一个开关周期内,电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。
2、DCM,(Discontinuous Conduction Mode)非接连导通形式:在开关周期内,电感电流总会会到0,意味着电感被恰当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。
3、BCM(Boundary Conduction Mode),鸿沟或鸿沟线导通形式:操控器监控电感电流,一旦检测到电流等于0,功率开关当即闭合。操控器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高,而截至斜坡恰当平,则开关周期延伸,因而,BCM改动器是可变频率系统。BCM改换器能够称为临界导通形式或CRM(Critical Conduction Mode)。
图1经过花电感电流曲线表明了三种不同的作业形式。
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

图2 电感作业的三种形式:高频开关电源CCM、DCM、BCM
电流斜坡的中点幅值等于直流输出电流的均匀值,峰值电流与谷值电流之差为纹波电流。
三、高频开关电源CCM作业形式及特征
依据高频开关电源CCM界说,测验出降压改换器作业于接连形式下的波形,如下图3所示。
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

图3
波形1表明PWM图形,将开关触发成导通和截止。当开关SW导通时,公共点SW/D上的电压为Vin。相反,当开关断开时,公共点SW/D电压将摆到负,此刻电感电流对二极管D供给偏置电流,呈现负降压——续流效果。
波形3描绘了电感两头电压的改动。在平衡点,电感L两头的均匀电压为0,及S1+S2=0。S1面积对应于开关导通时电压与时刻的乘积,S2面积对应于开关关断时电压与时刻的乘积。S1简单地用矩形高度乘以,而S2也是矩形高度-t乘以(1-D)。

从上式能够看到是随D(占空比)改动的。抱负状况下,传递特性独立于输出负载。可是书上说这种描绘,并不非常准确,详细的待我仔细看了再通知我们。
其实我们再看上面最后一个波形,在开关的闭合的时分,SW/D点电流波形有个很大的尖峰,我自己有测的是电压波形,用电压芯片ACT4065及ACT4065A,如图4、图5所示,详细原因有以下两个方面。
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

第一、由于在开关闭合,将效果到二极管的阴极,俄然中断了二极管的导通周期。关于PN二极管,首要需求将正导游通时PN结变回到电中性时的PN结,移去一切的少量载流子。二极管除掉一切的注入电荷需求一定的时刻才能康复到它的断开状况,在彻底康复之前,它呈现短路行为。关于肖特基二极管,有金属半导体硅结,它没有康复效应,然而,有很大的寄生电容,也有结电容。当二极管导通,一旦放电,SW很快经过放电电容效果电压,发作电流尖峰。所以减缓闭合开关SW时刻将会有助于下降尖峰电流。
第二、与电流形状有关。从图画中能够看到输出纹波(电容电流波形)很小。输出纹波很滑润,“无脉冲”。意味着输出电流信号能很好地为后续电路所承受,即电源中污染较小。另外,输入电流不仅有尖峰,并且看上去像方波。如果电感L的值趋于无穷大,输入电流的波形就是实实在在的方波。因而,该电流是“脉动”电流,包括许多的污染分量,比一般的正弦形状的电流更难滤波。
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。

关于开关关断的瞬间也有尖峰发作,我觉得应该也是与二极管及SW脚的寄生电容及结电容有关。
经过以上能够总结出高频开关电源CCM降压改动器的特征:
1、D限定在小于1,降压改换器的输出电压一直小于输入电压;
2、如果疏忽各种欧姆损耗, 改换系数M与负载电流无关;
3、经过改动占空比D,能够操控输出电压;
4、降压改换器作业于高频开关电源CCM,会带来附加损耗。由于续流二极管反向康复电荷需求时刻来耗费,这关于功率开关管而言,是附加的损耗担负;
5、输出没有脉冲纹波,可是有脉冲输入电流。
四、DCM作业形式及相关特征
开关器件在负载电流较大的时都是作业高频开关电源CCM形式,但当跟着负载电流下降,纹波电流将全体下降,如图2所示,当负载电流减小到谐波峰峰值一半时,即

,斜坡的最低点正好降到零,在这个最低点,电感电流为零,电感储能为零。如果电感负载电流进一步减小,电感将进入DCM作业形式,电压和电流波形将发作很大的改动如下图6所示,以及传递函数将发作很大的改动。
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

从波形4,能够看到电感电流下降到0,引起续流二极管截止。如果呈现此状况,电感左端开路。理论上,电感左端的电压应该回到,由于电感L不再有电流,不发作振动。可是由于周围存在许多寄生电容,如二极管和SW的寄生电容,形成了振动回路。如曲线2和曲线3,呈现正弦信号,并在几个周期后消失,这与电阻阻尼有关。可是在实践测验中可能仍是有差别的,比如我在ACT4065A测验中,测验SW/D的波形,振动却在中心,如下图7所示,供应商工程师说这是在DCM形式,可是我没找到相关材料进行验证。

高频开关电源Buck变压器在整个负载范围内都将输出电压操控在一个定值,即便电感进入不接连作业形式。因而很简单会让我们发作误区,以为电感进入不接连作业形式对电路作业没有影响。实践上,整个电路的传递函数已经发作改动,操控环路有必要适应这种改动。
关于高频开关电源Buck调整器,电感进入不接连作业形式也没什么问题。在进入不接连形式之前,直流输出电压

注意到此公式与负载电流参数无关,所以当负载改动的时,不需调理占空比D,输出电压仍坚持稳定。实践上,当输出电流改动时,导通时刻也会稍微改动,由于Q1的导通压降和电感电阻跟着电流的改动而略有改动,这需求Ton做出恰当的调整。
进入DCM作业后,传递函数将发作改动,高频开关电源CCM的传递函数将不再适用,开关管的导通时刻将跟着直流输出电流的减小而减小。下面是DCM作业形式下的传递函数,占空比与负载电流有关,即

由于操控环路要操控输出电压稳定,负载电阻R与负载电流成反比联系。假定Vout,Vin、L、T、稳定,为了操控电压稳定,占空比有必要跟着负载电流的改动而改动。
在临界变换电流处,传递函数从高频开关电源CCM转变为DCM。作业高频开关电源CCM时,占空比坚持稳定,不随负载电流而改动;作业于DCM时,占空比随负载电流减小而改动。
经过以上能够总结出DCM降压改换器的特征:
1、M依赖于负载电流;
2、关于想通的占空比,DCM下的传递系数M比高频开关电源CCM大在负载电流低作业于深度DCM,M简单到达1。
五、高频开关电源Buck调整器电感选择:
为了减小进入断续形式时的临界输出负载电流,我们能够经过加大电感量L,以下降临界输出负载电流。使电路在希望的负载电流范围内作业接连形式。

按理论核算我们应该用303uH,但实践中我们只用68uH,一部分跟本钱有关,也跟我产品自身特征有关,空间要小,如果大电感根本就放不下,实践上个人觉得,够用就行。
 
以下是在测验ACT4065A时,关于输出负载电流临界值随电感量改动的一些波形:
1)、L1=27uH,Uo=12.51V
经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=27uH时,负载电流逐步加大时振动波形宽度减小,到达100mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 100mA
 
2)、L1=33uH,Uo=12.51V
   经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=33uH时,负载电流逐步加大时振动波形宽度减小,到达55mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 55mA
3)、L1=47uH,Uo=12.51V
   经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=47uH时,负载电流逐步加大时振动波形宽度减小,到达45mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 47mA
4)、L1=68uH,Uo=12.51V
   经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=68uH时,负载电流逐步加大时振动波形度减小,到达30mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 30mA
5)、L1=136uH,Uo=12.51V
   经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=136uH时,负载电流逐步加大时振动波形宽度减小,到达20mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 20mA
6)、L1=204uH,Uo=12.51V
   经过改动负载电流巨细,调查输出波形,在L1=204uH时,负载电流逐步加大时振动波形宽度减小,到达12mA时,波形在关断时无振动波形发作,到达正常的开关状况。

0mA                                 12mA
综合上以所述及测验波形来看,关于芯片ACT4065A,在电感量逐步增大,SW关断时,振动波形宽度减小;电感量越大,就能在越小的负载电流下消除振动波形,但在10mA内都存在此状况。
高频开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式的对比关系

五、高频开关电源CCM与DCM比较:
1、DCM是技领的特征,能下降功耗的,DCM形式的变换功率更高些,归于能量彻底变换;
2、作业于DCM形式,输出电流的纹波比高频开关电源CCM大;
3、作业于DCM形式,在电感电流为0的时分,会发作振动现象;
4、作业于高频开关电源CCM形式,输出电压与负载电流无关,当作业于DCM形式,输出电压受负载影响,为了操控电压稳定,占空比有必要跟着负载电流的改动而改动。

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