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電源芯片的工作模式都有哪些特點?

2019-07-05

  開關電源以其體積小、能量利用率高的特性,被廣泛應用于航天航空領域、家電、通信等領域。那開關電源常見的工作模式有哪些呢?工作在這種模式下又具備哪些特點?本文為您講解常見的兩種模式:CCMDCM

  一、CCM及DCM的定義

  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。通俗來講就是電感“從不復位”,意味著在開關周期內電感磁通量從不為0,功率管閉合后,電感中還有電流流過。

  2.DCM(Discontinuous Conduction Mode)非連續導通模式或者叫斷續導通模式:在一個開關周期內,電感電流總會會到0。通俗來講就是電感被“適當復位”,功率管閉合后,電感中電流為0。

  二、CCM工作模式與特點

  1. 根據CCM的特點,測得降壓變壓器工作在連續模式下的波形。如下圖1所示。


    proxy.do.png

  波形1表示PWM的波形,將開關管觸發成導通和截止狀態。當開關管SW導通時,公共點SW/D上的電壓為Vin。當開關管SW關斷時,公共點SW/D上的電壓為負壓,電感電流就會對二極管D產生偏置電流,出現負壓降——實現續流的作用。

  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,即S1+S2=0。S1面積對應開關導通時電壓與時間的乘積,S2面積對應于開關關斷時電壓與時間的乘積。S1簡單地用矩陣高度(Vin-VOUT)乘以DTSW,S2也可以簡單地用矩陣高度-Vout乘以(1-D)Tsw 。如果對S1和S2求和,然后再整個周期Tsw內平均,得到:

  (D(Vin-Vout)Tsw-Vout(1-D)Tsw)/Tsw=0

  化簡上式可以得到CCM的降壓DC傳遞函數:

  Vout=DVin

  從上式可以看到Vout是隨著D(占空比)變化的。

  總結CCM降壓變壓器的特點:

  lD限定在小于1,降壓變壓器的輸出電壓必定小于輸入電壓。

  l通過變化占空比D,可以控制輸出電壓。

  l工作在CCM模式下,會帶來額外的損耗。因為續流二極管反向恢復電荷需要時間來消耗,這對于功率開關管而言,就是附加的損耗負擔。

  l輸出沒有脈沖紋波,但是有脈沖輸入電流。

  三、DCM工作模式及特點

  1.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。當電感電流繼續減小,電感就會進入DCM工作模式,電壓和電流波形將發生很大的變化如下圖2。

proxy.do.png

  波形4中可以看出,電感電流下降為0,導致續流二極管截止。如果出現此類情況,電感左側處于開路狀態。理論上,電感左側的電壓應該回到Vout,因為電感L不再有電流,不產生振蕩。但是由于周圍存在很多的寄生電容。如二極管和SW的寄生電容,容易形成振蕩電路。

  對于BUCK調整器,電感進入不連續工作模式也不會有什么問題。在進入不連續模式之前,直流輸出電壓Vout=VinTon/T。通過這個公式可以明顯看出與電流參數無關,所以當負載變化時,不需要調節占空比,D輸出電壓依然恒定。

  進入DCM工作后,傳遞函數將發生變化,CCM的傳遞函數將不在適用。開關管導通時間隨直流電流的減小而減小。下面是DCM模式下的傳遞函數,占空比與負載電流有關,即:

  Vout=

  因為控制環路要控制輸出電壓恒定,負載電阻R與負載電流成反比關系。假設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。

  在臨界轉換電流處,傳遞函數從CCM變成DCM。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。

  總結DCM降壓變壓器的特點:

  lVOUT需要依靠負載電流;

  l對于占空比,DCM下的傳遞系數比CCM在負載電流低工作時,深度DCM傳遞系數更容易達到1。

  四、CCM與DCM的比較

  lDCM模式功耗較低,DCM轉換效率較高,屬于能量完全轉換;

  l工作于DCM模式下,輸出電流的紋波比CCM的要大;

  l工作于DCM模式,在電感電流為0時,會產生振蕩現象;

  l工作于CCM模式,輸出電壓與負載電流無關。當工作于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變化而變化。


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