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电源芯片的工作模式都有哪些特点?

2019-07-09

开关电源以其体积小、能量利用率高的特性,被广泛应用于航天航空领域、家电、通信等领域。那开关电源常见的工作模式有哪些呢?工作在这种模式下又具备哪些特点?本文为您讲解常见的两种模式:CCM,DCM。iSK电子头条

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一、CCM及DCM的定义iSK电子头条

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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。通俗来讲就是电感“从不复位”,意味着在开关周期内电感磁通量从不为0,功率管闭合后,电感中还有电流流过。iSK电子头条

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2.DCM(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式或者叫断续导通模式:在一个开关周期内,电感电流总会会到0。通俗来讲就是电感被“适当复位”,功率管闭合后,电感中电流为0。iSK电子头条

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二、CCM工作模式与特点iSK电子头条

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1.根据CCM的特点,测得降压变压器工作在连续模式下的波形。iSK电子头条

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PWM的波形,将开关管触发成导通和截止状态。当开关管SW导通时,公共点SW/D上的电压为Vin。当开关管SW关断时,公共点SW/D上的电压为负压,电感电流就会对二极管D产生偏置电流,出现负压降——实现续流的作用。iSK电子头条

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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,即S1+S2=0。S1面积对应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简单地用矩阵高度(Vin-VOUT)乘以DTSW,S2也可以简单地用矩阵高度-Vout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=0iSK电子头条

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化简上式可以得到CCM的降压DC传递函数:Vout=DViniSK电子头条

从上式可以看到Vout是随着D(占空比)变化的。iSK电子头条

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总结CCM降压变压器的特点:iSK电子头条

• D限定在小于1,降压变压器的输出电压必定小于输入电压。iSK电子头条

• 通过变化占空比D,可以控制输出电压。iSK电子头条

• 工作在CCM模式下,会带来额外的损耗。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,就是附加的损耗负担。iSK电子头条

• 输出没有脉冲纹波,但是有脉冲输入电流。iSK电子头条

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三、DCM工作模式及特点iSK电子头条

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1.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。当电感电流继续减小,电感就会进入DCM工作模式,电压和电流波形将发生很大的变化如下图2。iSK电子头条

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波形4中可以看出,电感电流下降为0,导致续流二极管截止。如果出现此类情况,电感左侧处于开路状态。理论上,电感左侧的电压应该回到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的寄生电容。如二极管和SW的寄生电容,容易形成振荡电路。iSK电子头条

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对于BUCK调整器,电感进入不连续工作模式也不会有什么问题。在进入不连续模式之前,直流输出电压Vout=VinTon/T。通过这个公式可以明显看出与电流参数无关,所以当负载变化时,不需要调节占空比,D输出电压依然恒定。iSK电子头条

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进入DCM工作后,传递函数将发生变化,CCM的传递函数将不在适用。开关管导通时间随直流电流的减小而减小。下面是DCM模式下的传递函数,占空比与负载电流有关,即:iSK电子头条

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因为控制环路要控制输出电压恒定,负载电阻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。iSK电子头条

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在临界转换电流处,传递函数从CCM变成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。iSK电子头条

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总结DCM降压变压器的特点:iSK电子头条

• VOUT需要依靠负载电流;iSK电子头条

• 对于占空比,DCM下的传递系数比CCM在负载电流低工作时,深度DCM传递系数更容易达到1。iSK电子头条

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四、CCM与DCM的比较iSK电子头条

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• DCM模式功耗较低,DCM转换效率较高,属于能量完全转换;iSK电子头条

• 工作于DCM模式下,输出电流的纹波比CCM的要大;iSK电子头条

• 工作于DCM模式,在电感电流为0时,会产生振荡现象;iSK电子头条

• 工作于CCM模式,输出电压与负载电流无关。当工作于DCM模式,输出电压受负载影响,为了控制电压恒定,占空比必须随着负载电流变化而变化。iSK电子头条