Buck開關型調整器

 

圖1

 

CCM及DCM定義

 

1）CCM（Continuous Conduction Mode），連續導通模式：在一個開關周期內，電感電流從不會到0。或者說電感從不“複位”，意味著在開關周期內電感磁通從不回到0，功率管閉合時，線圈中還有電流流過。

 

2）DCM，(Discontinuous Conduction Mode)
，斷續導通模式：在開關周期內，電感電流總會到0
，意味著電感被適當地“複位”，即功率開關閉合時，電感電流為零。

 

3）BCM（Boundary Conduction Mode），臨界導通模式：控製器監控電感電流
，一旦檢測到電流等於0
，功率開關立即閉合。控製器總是等電感電流“複位”來激活開關。如果電感值電流高，而截至斜坡相當平，則開關周期延長，因此
，BCM變化器是可變頻率係統。

 

圖2通過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：CCM/DCM/BCM

 

電流斜坡的中點幅值等於直流輸出電流Io的平均值，峰值電流Ip與穀值電流Iv之差為紋波電流。

 

CCM工作模式及特點

 

根據CCM定義

，測試出降壓變換器工作於連續模式下的波形
，如下圖3所示。

 

圖3

 

波形1表示PWM圖形，將開關觸發成導通和截止。當開關SW導通時
，公共點SW/D上的電壓為Vin。相反，當開關斷開時，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
，出現負降壓——續流作用。

 

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麵積對應於開關導通時電壓與時間的乘積，S2麵積對應於開關關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
，然後再整個周期Tsw內平均，得到：

 

 

化簡上式可以到CCM的降壓DC傳遞函數：

 

 

從上式可以看到Vout是隨D（占空比）變化的。

 

其實我們再看上麵最後一個波形，在開關的閉合的時候，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麵。

 

 

第一
、因為在開關閉合，將Vin作用到二極管的陰極
，突然中斷了二極管的導通周期。對於PN二極管，首先需要將正向導通時PN結變回到電中性時的PN結jie，移yi去qu所suo有you的de少shao數shu載zai流liu子zi。二er極ji管guan除chu去qu所suo有you的de注zhu入ru電dian荷he需xu要yao一yi定ding的de時shi間jian才cai能neng恢hui複fu到dao它ta的de斷duan開kai狀zhuang態tai，在zai完wan全quan恢hui複fu之zhi前qian，它ta呈cheng現xian短duan路lu行xing為wei。對dui於yu肖xiao特te基ji二er極ji管guan，有you金jin屬shu半ban導dao體ti矽gui結jie，它ta沒mei有you恢hui複fu效xiao應ying
，然ran而er
，有you很hen大da的de寄ji生sheng電dian容rong，也ye有you結jie電dian容rong。當dang二er極ji管guan導dao通tong，一yi旦dan放fang電dian，SW很快通過放電電容作用電壓Vin，產生電流尖峰。所以減緩閉合開關SW時間將會有助於降低尖峰電流。

 

第二、與電流形狀有關。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，“無脈衝”。意味著輸出電流信號能很好地為後續電路所接受
，即電源中汙染較小。另外
，輸入電流不僅有尖峰，而且看上去像方波。如果電感L的值趨於無窮大，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
，包含大量的汙染分量，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。

 

對於開關關斷的瞬間也有尖峰產生，我覺得應該也是與二極管及SW腳的寄生電容及結電容有關。

 

通過以上可以總結出CCM降壓變化器的特點：

 

1）D限定在小於1，降壓變換器的輸出電壓始終小於輸入電壓
；

2）如果忽略各種歐姆損耗， 變換係數M與負載電流無關

；

3）通過變化占空比D

，可以控製輸出電壓；

4）降壓變換器工作於CCM，會帶來附加損耗。因為續流二極管反向恢複電荷需要時間來消耗，這對於功率開關管而言，是附加的損耗負擔；

5）輸出沒有脈衝紋波
，但是有脈衝輸入電流。

 

DCM工作模式及相關特點

 

開關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生很大的變化如下圖6所示
，以及傳遞函數將發生很大的變化。

 

圖6

 

從波形4，可以看到電感電流下降到0，引起續流二極管截止。如果出現此情況

，電感左端開路。理論上，電感左端的電壓應該回到Vout
，因為電感L不再有電流，不產生振蕩。但是由於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，出現正弦信號，並在幾個周期後消失，這與電阻阻尼有關。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

 

Buckbianyaqizaizhenggefuzaifanweineidoujiangshuchudianyakongzhizaiyigedingzhi，jishidianganjinrubulianxugongzuomoshi。yincihenrongyihuirangwomenchanshengwuqu，renweidianganjinrubulianxugongzuomoshiduidianlugongzuomeiyouyingxiang。shijishang，zhenggedianludechuandihanshuyijingfashengbianhua
，kongzhihuanlubixushiyingzhezhongbianhua。

 

對於Buck調整器，電感進入不連續工作模式也沒什麼問題。在進入不連續模式之前
，直流輸出電壓Vout=Vin·Ton/T。注意到此公式與負載電流參數無關
，所以當負載變化的時，不需調節占空比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做出適當的調整。

 

進入DCM工作後，傳遞函數將發生改變，CCM的傳遞函數將不再適用，開關管的導通時間將隨著直流輸出電流的減小而減小。下麵是DCM工作模式下的傳遞函數，占空比與負載電流有關
，即：

 

 

因為控製環路要控製輸出電壓恒定，負載電阻R與負載電流成反比關係。假設Vout，Vin
，L，T恒定，為了控製電壓恒定，占空比必須隨著負載電流的變化而變化。

 

在臨界轉換電流處，傳遞函數從CCM轉變為DCM。工作CCM時
，占空比保持恒定，不隨負載電流而改變；工作於DCM時，占空比隨負載電流減小而改變。

 

通過以上可以總結出DCM降壓變換器的特點：

 

1）M依賴於負載電流；

2）對於想通的占空比，DCM下的傳遞係數M比CCM大在負載電流低工作於深度DCM，M容易達到1。

 

CCM與DCM比較

 

1）工作於DCM模式，能降低功耗的
，DCM模式的轉換效率更高些，屬於能量完全轉換
；

2）工作於DCM模式，輸出電流的紋波比CCM大
；

3）工作於DCM模式
，在電感電流為0的時候，會產生振蕩現象；

4）工作於CCM模式
，輸出電壓與負載電流無關，當工作於DCM模式，輸出電壓受負載影響
，為了控製電壓恒定，占空比必須隨著負載電流的變化而變化。

 

 

推薦閱讀：