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1、开关电源Buck电路CCM 及DCM 工作模式、Buck开关型调整器：SW/D图1二、CCM及DCM定义：1、CCM (Continuous Conduction Mode)，连续导通模式：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)非连续导通模式：在开关周期 内，电感电流总会会到 0,意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时， 电感电流为零。3、BCM ( Boundary Conduction Mode)，边界或边界线导
2、通模式：控制器 监控电感电流，一旦检测到电流等于 0,功率开关立即闭合。控制器总是等电感 电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，贝U开关周期 延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式 或 CRM (Critical Conduction Mode)。图1通过花电感电流曲线表示了三种不同的工作模式。图2电感工作的三种模式电流斜坡的中点幅值等于直流输出电流I。的平均值，峰值电流Ip与谷值电流Iv之差为纹波电流 三、CCM工作模式及特点根据CCM定义，测试出降压变换器工作于连续模式下的波形，如下图3所示。图3波形1表示PWM图形，将开关触发成导通
3、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， 此时电感电流对二极管D提供偏置电流，出现负降压一一续流作用。波形3描述了电感两端电压的变化。在平衡点，电感L两端的平均电压为0， 及S1+S2=0。S1面积对应于开关导通时电压与时间的乘积，S2面积对应于开关关断时电压与时间的乘积。S1简单地用矩形高度(Vin -Vout)乘以DTsw，而S2也是矩形高度-Voutt乘以(1-D)Tsw。如果对S1和S2求和，然后再整个周期Tsw 内平均，得到(D( Vin-Vout)Tsw-Vout( 1-D)Tsw)/ Tsw=0化简上式可以到C
4、CM的降压DC传递函数：Vout = DVin =M Vin 或 M= Vout/Vin从上式可以看到Vout是随D（占空比）变化的。理想情况下，传递特性独立于 输出负载。但是书上说这种描述，并不十分精确，具体的待我认真看了再告诉大 家。其实我们再看上面最后一个波形，在开关的闭合的时候， 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，具体原因有以下两个方面。TekM Pos 0.000$MEASURE冊5贞敬压戡母CHI 5,OOVCH1 频率 217.5kHzCHI36紳CH1 fCHIDuty Cyc66.3CH
5、I 平均值 12.7VMl 250 U6-Sep-12 16-14TekM PoftOUMOfMEASUREACNJ 衣 ACHI 5.0OV按显示屛按钿以改周期4.464juscm 频率CHI平均值CHIDuty Cyc 65L2cm周期202V-图5第一、因为在开关闭合，将Vin作用到二极管的阴极，突然中断了二极管的导通周期。对于PN二极管，首先需要将正向导通时PN结变回到电中性时的PN 结，移去所有的少数载流子。二极管除去所有的注入电荷需要一定的时间才能恢 复到它的断开状态，在完全恢复之前，它呈现短路行为。对于肖特基二极管，有 金属半导体硅结，它没有恢复效应，然而，有很大的 寄生电容，也
6、有结电容。当 二极管导通，一旦放电，SW很快通过放电电容作用电压Vin，产生电流尖峰。所 以减缓闭合开关SW时间将会有助于降低尖峰电流。第二、与电流形状有关。从图像中可以看到输出纹波（电容电流波形）很小 输出纹波很平滑，“无脉冲”。意味着输出电流信号能很好地为后续电路所接受， 即电源中污染较小。另外，输入电流不仅有尖峰，而且看上去像方波。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。因此，该电流是“脉 动”电流，包含大量的污染分量，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。对于开关关断的瞬间也有尖峰产生，我觉得应该也
7、是与二极管及 SW脚的寄 生电容及结电容有关。通过以上可以总结出CCM降压变化器的特点：1、D限定在小于1,降压变换器的输出电压始终小于输入电压；2、如果忽略各种欧姆损耗， 变换系数M与负载电流无关；3、通过变化占空比D，可以控制输出电压；4、降压变换器工作于CCM，会带来附加损耗。因为续流二极管反向恢复电荷需 要时间来消耗，这对于功率开关管而言，是附加的损耗负担；5、输出没有脉冲纹波，但是有脉冲输入电流。四、DCM工作模式及相关特点开关器件在负载电流较大的时都是工作 CCM模式，但当随着负载电流下 降，纹波电流将整体下降，如图2所示，当负载电流减小到谐波峰峰值一半时， 即I。=（ Ip -
8、Iv）/2,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工作模式，电压和电流波形将发生很大的变化如下图 6所示，以及传递函数将发生很大的变化。从波形4,可以看到电感电流下降到0,引起续流二极管截止。如果出现此情况，电感左端开路。理论上，电感左端的电压应该回到Vout，因为电感L不再有电流，不产生振荡。但是由于周围存在很多寄生电容， 如二极管和SW的寄生 电容，形成了振荡回路。如曲线 2和曲线3,出现正弦信号，并在几个周期后消 失，这与电阻阻尼有关。但是在实际测试中可能还是有差别的，比如我在 ACT4065A测试中，测试SW/D的
9、波形，振荡却在中间，如下图7所示，供应商 工程师说这是在DCM模式，但是我没找到相关资料进行验证。lek JV n TiidM Pm: -S20.ths CURSOR类型时间信源*t 7?0.(hs zi 1.282MHz 5側 光标1 -1.38JJS 4测光标2 -600ns -1.00V图7HI n /W2Buck变压器在整个负载范围内都将输出电压控制在一个定值，即使电感进入不连续工作模式。因此很容易会让我们产生误区，认为电感进入不连续工作模 式对电路工作没有影响。实际上，整个电路的传递函数已经发生变化， 控制环路 必须适应这种变化。对于Buck调整器，电感进入不连续工作模式也没什么问题
10、。在进入不连续模式之前，直流输出电压 Vout = Vin Ton/T。注意到此公式与负载电流参数无关，所以当负载变化的时，不需调节占空比 D,输出电压仍保持恒定。实际上，当输 出电流变化时，导通时间也会稍微变化，因为 Q1的导通压降和电感电阻随着电 流的变化而略有变化，这需要 Ton做出适当的调整。Vout二Vin 2DD . D2(8L/ RT)或M=2DDD2 (8L/RT)进入DCM工作后，传递函数将发生改变，CCM的传递函数将不再适用， 开关管的导通时间将随着直流输出电流的减小而减小。下面是DCM工作模式下 的传递函数，占空比与负载电流有关，即因为控制环路要控制输出电压恒定，负载电阻
11、 R与负载电流成反比关系。 假设Vout，Vin、L、T、恒定，为了控制电压恒定，占空比必须随着负载电流的 变化而变化。在临界转换电流处，传递函数从 CCM转变为DCM。工作CCM时，占空比 保持恒定，不随负载电流而改变；工作于 DCM时，占空比随负载电流减小而改 变。通过以上可以总结出DCM降压变换器的特点：1、M依赖于负载电流；2、 对于想通的占空比，DCM下的传递系数M比CCM大在负载电流低工作于 深度DCM,M容易达到1。五、Buck调整器电感选择：为了减小进入断续模式时的临界输出负载电流，我们可以通过加大电感量 L,以降低临界输出负载电流。使电路在期望的负载电流范围内工作连续模式。一
12、般，电感的选择应保证直流输出电流为最小规定电流（通常为额定负载电 流的10%, 0.1 Ion，其中Ion是额定输出电流并等于电感电流斜坡的中间值）时, 电感也保持连续电感电流斜坡为dI= Ip - Iv，如图2所示。当电流等于电感电流斜坡峰峰值 般时，真好是为临界状态，即即将进入不连续工作模式，则lo(min)=0.10.110 n= ( Ip - IV)/2，或 Ip- IV = dl=0.2 I Ion而且dI = vl ton /l=( Vin -Vout )ton /l所以(Vn-Vout) Ton( Vin%) JdI0.2Ion因为Vn及Ion是额定值，所以,5( Vin-Vou
13、t) VoTL 二Vin I on在实际设计中，因为电感电流在 気的土 10%范围内波动，电感的设计应该保证它在直流电流为1.1Ion时仍保持不明显饱和，因为电感工作在饱和状态，感 抗将急剧下降，直至失去电感作用，造成电路工作异常。比如采用ACT4065A电源芯片，输入电压为18V,输出电压为12.49V,开关周 期大约为4.7710-6S(5us)，额定负载为300mA,按以上公式，电感量应为：6= 333 10=303uH5 (18-12.49) 12.49 4.77 10187.3按理论计算我们应该用 303uH,但实际中我们只用 68uH, 部分跟成本有关，也跟我产品 本身特点有关，空
14、间要小，如果大电感根本就放不下，实际上个人觉得，够用就行。以下是在测试ACT4065A时，关于输出负载电流临界值随电感量变化的一 些波形：1) 、L1=27uH,Uo=12.51V通过改变负载电流大小，观察输出波形，在 L1=27uH时，负载电流逐渐加大 时振荡波形宽度减小，达到100mA时，波形在关断时无振荡波形产生，达到正 常的开关状态。H T(igJdM Pop -1220jus使用多用途旋钮移甥貉様2cursor jek类型信源BH1述 1.120JIS右832,9出1*V 3.4W21.8V27 uH lOConAHIM WOnsCH1 垂直位置-1,20 divs :-1.220
15、jus MEASURE-580ns自一壬一 6H-.牟 -K c 周期u肝OmA100mA2）、L1=33uH,Uo=12.51V通过改变负载电流大小，观察输出波形，在 L1=33uH时，负载电流逐渐加 大时振荡波形宽度减小，达到55mA时，波形在关断时无振荡波形产生， 达到正 常的开关状态。TekJLQ WdM Po$： -62fli0n533uH 3mA|jj W|卜-Mil1 I 1 1 + I 11*-JCHI 5,00VM 50Qn$CURSOR类型信源光标2T8Qn$400itiV1HH13 1.100-jk 古 303,1kHz 1N01S-$sp-l217按显示屛按钮以改墨?feOmA55mA3）、L1=47uH,Uo=12.51V通过改变负载电
