Buck開(kāi)關(guān)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內，電感電流從不會(huì )到0?；蛘哒f(shuō)電感從不“復位”，意味著(zhù)在開(kāi)關(guān)周期內電感磁通從不回到0，功率管閉合時(shí)，線(xiàn)圈中還有電流流過(guò)。

 

2）DCM，(Discontinuous Conduction Mode)，斷續導通模式：在開(kāi)關(guān)周期內，電感電流總會(huì )到0，意味著(zhù)電感被適當地“復位”，即功率開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電流為零。

 

3）BCM（Boundary Conduction Mode），臨界導通模式：控制器監控電感電流，一旦檢測到電流等于0，功率開(kāi)關(guān)立即閉合?？刂破骺偸堑入姼须娏?ldquo;復位”來(lái)激活開(kāi)關(guān)。如果電感值電流高，而截至斜坡相當平，則開(kāi)關(guān)周期延長(cháng)，因此，BCM變化器是可變頻率系統。

 

圖2通過(guò)電感電流曲線(xiàn)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CCM定義，測試出降壓變換器工作于連續模式下的波形，如下圖3所示。

 

圖3

 

波形1表示PWM圖形，將開(kāi)關(guān)觸發(fā)成導通和截止。當開(kāi)關(guān)SW導通時(shí)，公共點(diǎn)SW/D上的電壓為Vin。相反，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，公共點(diǎn)SW/D電壓將擺到負，此時(shí)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(diǎn)，電感L兩端的平均電壓為0，及S1+S2=0。S1面積對應于開(kāi)關(guān)導通時(shí)電壓與時(shí)間的乘積，S2面積對應于開(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S1和S2求和，然后再整個(gè)周期Tsw內平均，得到：

 

 

化簡(jiǎn)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(shí)我們再看上面最后一個(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、因為在開(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通周期。對于PN二極管，首先需要將正向導通時(shí)PN結變回到電中性時(shí)的PN結，移去所有的少數載流子。二極管除去所有的注入電荷需要一定的時(shí)間才能恢復到它的斷開(kāi)狀態(tài)，在完全恢復之前，它呈現短路行為。對于肖特基二極管，有金屬半導體硅結，它沒(méi)有恢復效應，然而，有很大的寄生電容，也有結電容。當二極管導通，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(zhù)輸出電流信號能很好地為后續電路所接受，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。

 

對于開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間也有尖峰產(chǎn)生，我覺(jué)得應該也是與二極管及SW腳的寄生電容及結電容有關(guān)。

 

通過(guò)以上可以總結出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M與負載電流無(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。因為續流二極管反向恢復電荷需要時(shí)間來(lái)消耗，這對于功率開(kāi)關(guān)管而言，是附加的損耗負擔；

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)器件在負載電流較大的時(shí)都是工作CCM模式，但當隨著(zhù)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(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，電感儲能為零。如果電感負載電流進(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，引起續流二極管截止。如果出現此情況，電感左端開(kāi)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(chǎn)生振蕩。但是由于周?chē)嬖诤芏嗉纳娙?，如二極管和SW的寄生電容，形成了振蕩回路。如曲線(xiàn)2和曲線(xiàn)3，出現正弦信號，并在幾個(gè)周期后消失，這與電阻阻尼有關(guān)。但是在實(shí)際測試中可能還是有差別的，比如我在A(yíng)CT4065A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

 

Buck變壓器在整個(gè)負載范圍內都將輸出電壓控制在一個(gè)定值，即使電感進(jìn)入不連續工作模式。因此很容易會(huì )讓我們產(chǎn)生誤區，認為電感進(jìn)入不連續工作模式對電路工作沒(méi)有影響。實(shí)際上，整個(gè)電路的傳遞函數已經(jīng)發(fā)生變化，控制環(huán)路必須適應這種變化。

 

對于Buck調整器，電感進(jìn)入不連續工作模式也沒(méi)什么問(wèn)題。在進(jìn)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(wú)關(guān)，所以當負載變化的時(shí)，不需調節占空比D，輸出電壓仍保持恒定。實(shí)際上，當輸出電流變化時(shí)，導通時(shí)間也會(huì )稍微變化，因為Q1的導通壓降和電感電阻隨著(zhù)電流的變化而略有變化，這需要Ton做出適當的調整。

 

進(jìn)入DCM工作后，傳遞函數將發(fā)生改變，CCM的傳遞函數將不再適用，開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間將隨著(zhù)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，占空比與負載電流有關(guān)，即：

 

 

因為控制環(huán)路要控制輸出電壓恒定，負載電阻R與負載電流成反比關(guān)系。假設Vout，Vin，L，T恒定，為了控制電壓恒定，占空比必須隨著(zhù)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?yōu)镈CM。工作CCM時(shí)，占空比保持恒定，不隨負載電流而改變；工作于DCM時(shí)，占空比隨負載電流減小而改變。

 

通過(guò)以上可以總結出DCM降壓變換器的特點(diǎn)：

 

1）M依賴(lài)于負載電流；

2）對于想通的占空比，DCM下的傳遞系數M比CCM大在負載電流低工作于深度DCM，M容易達到1。

 

CCM與DCM比較

 

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

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)生振蕩現象；

4）工作于CCM模式，輸出電壓與負載電流無(wú)關(guān)，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(zhù)負載電流的變化而變化。

 

 

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