Buck開(kāi)關(guān)型調(diào)整器

 

圖1

 

CCM及DCM定義

 

1）CCM（Continuous Conduction Mode），連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流從不會(huì)到0。或者說(shuō)電感從不“復(fù)位”，意味著在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感磁通從不回到0，功率管閉合時(shí)，線圈中還有電流流過(guò)。

 

2）DCM，(Discontinuous Conduction Mode)，斷續(xù)導(dǎo)通模式：在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流總會(huì)到0，意味著電感被適當(dāng)?shù)?ldquo;復(fù)位”，即功率開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，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(cè)到電流等于0，功率開(kāi)關(guān)立即閉合。控制器總是等電感電流“復(fù)位”來(lái)激活開(kāi)關(guān)。如果電感值電流高，而截至斜坡相當(dāng)平，則開(kāi)關(guān)周期延長(zhǎng)，因此，BCM變化器是可變頻率系統(tǒng)。

 

圖2通過(guò)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(diǎn)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(diǎn)

 

根據(jù)CCM定義，測(cè)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(kāi)關(guān)觸發(fā)成導(dǎo)通和截止。當(dāng)開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通時(shí)，公共點(diǎn)SW/D上的電壓為Vin。相反，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓將擺到負(fù)，此時(shí)電感電流對(duì)二極管D提供偏置電流，出現(xiàn)負(fù)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(diǎn)，電感L兩端的平均電壓為0，及S1+S2=0。S1面積對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電壓與時(shí)間的乘積，S2面積對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)電壓與時(shí)間的乘積。S1簡(jiǎn)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(duì)S1和S2求和，然后再整個(gè)周期Tsw內(nèi)平均，得到：

 

 

化簡(jiǎn)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(shí)我們?cè)倏瓷厦孀詈笠粋€(gè)波形，在開(kāi)關(guān)的閉合的時(shí)候，SW/D點(diǎn)電流波形有個(gè)很大的尖峰，用電壓芯片ACT4065及ACT4065A實(shí)際測(cè)得的電壓波形如圖4、圖5所示，具體原因有以下兩個(gè)方面。

 

 

第一、因?yàn)樵陂_(kāi)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(duì)于PN二極管，首先需要將正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)變回到電中性時(shí)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(shí)間才能恢復(fù)到它的斷開(kāi)狀態(tài)，在完全恢復(fù)之前，它呈現(xiàn)短路行為。對(duì)于肖特基二極管，有金屬半導(dǎo)體硅結(jié)，它沒(méi)有恢復(fù)效應(yīng)，然而，有很大的寄生電容，也有結(jié)電容。當(dāng)二極管導(dǎo)通，一旦放電，SW很快通過(guò)放電電容作用電壓Vin，產(chǎn)生電流尖峰。所以減緩閉合開(kāi)關(guān)SW時(shí)間將會(huì)有助于降低尖峰電流。

 

第二、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(wú)脈沖”。意味著輸出電流信號(hào)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(wú)窮大，輸入電流的波形就是實(shí)實(shí)在在的方波。因此，該電流是“脈動(dòng)”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(duì)于開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間也有尖峰產(chǎn)生，我覺(jué)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(guò)以上可以總結(jié)出CCM降壓變化器的特點(diǎn)：

 

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(fù)載電流無(wú)關(guān)；

3）通過(guò)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(huì)帶來(lái)附加損耗。因?yàn)槔m(xù)流二極管反向恢復(fù)電荷需要時(shí)間來(lái)消耗，這對(duì)于功率開(kāi)關(guān)管而言，是附加的損耗負(fù)擔(dān)；

5）輸出沒(méi)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(diǎn)

 

開(kāi)關(guān)器件在負(fù)載電流較大的時(shí)都是工作CCM模式，但當(dāng)隨著負(fù)載電流下降，紋波電流將整體下降，如圖2所示，當(dāng)負(fù)載電流減小到諧波峰峰值一半時(shí)，即Io=（Ip-Iv）/2，斜坡的最低點(diǎn)正好降到零，在這個(gè)最低點(diǎn)，電感電流為零，電感儲(chǔ)能為零。如果電感負(fù)載電流進(jìn)一步減小，電感將進(jìn)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(kāi)路。理論上，電感左端的電壓應(yīng)該回到Vout，因?yàn)殡姼蠰不再有電流，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(hào)，并在幾個(gè)周期后消失，這與電阻阻尼有關(guān)。但是在實(shí)際測(cè)試中可能還是有差別的，比如我在ACT4065A測(cè)試中，測(cè)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都將輸出電壓控制在一個(gè)定值，即使電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式。因此很容易會(huì)讓我們產(chǎn)生誤區(qū)，認(rèn)為電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式對(duì)電路工作沒(méi)有影響。實(shí)際上，整個(gè)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(duì)于Buck調(diào)整器，電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式也沒(méi)什么問(wèn)題。在進(jìn)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(fù)載電流參數(shù)無(wú)關(guān)，所以當(dāng)負(fù)載變化的時(shí)，不需調(diào)節(jié)占空比D，輸出電壓仍保持恒定。實(shí)際上，當(dāng)輸出電流變化時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)稍微變化，因?yàn)镼1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(jìn)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)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(fù)載電流有關(guān)，即：

 

 

因?yàn)榭刂骗h(huán)路要控制輸出電壓恒定，負(fù)載電阻R與負(fù)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(fù)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(shí)，占空比保持恒定，不隨負(fù)載電流而改變；工作于DCM時(shí)，占空比隨負(fù)載電流減小而改變。

 

通過(guò)以上可以總結(jié)出DCM降壓變換器的特點(diǎn)：

 

1）M依賴于負(fù)載電流；

2）對(duì)于想通的占空比，DCM下的傳遞系數(shù)M比CCM大在負(fù)載電流低工作于深度DCM，M容易達(dá)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(shí)候，會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；

4）工作于CCM模式，輸出電壓與負(fù)載電流無(wú)關(guān)，當(dāng)工作于DCM模式，輸出電壓受負(fù)載影響，為了控制電壓恒定，占空比必須隨著負(fù)載電流的變化而變化。

 

 

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