開(kāi)關(guān)電源以其體積小、能量利用率高的特性,被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域、家電、通信等領(lǐng)域。那開(kāi)關(guān)電源常見(jiàn)的工作模式有哪些呢?工作在這種模式下又具備哪些特點(diǎn)?本文為您講解常見(jiàn)的兩種模式:CCM,DCM。
1、 CCM及DCM的定義
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。通俗來(lái)講就是電感“從不復(fù)位”,意味著在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感磁通量從不為0,功率管閉合后,電感中還有電流流過(guò)。
2. DCM(Discontinuous Conduction Mode)非連續(xù)導(dǎo)通模式或者叫斷續(xù)導(dǎo)通模式:在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),電感電流總會(huì)會(huì)到0。通俗來(lái)講就是電感被“適當(dāng)復(fù)位”,功率管閉合后,電感中電流為0。
2、 CCM工作模式與特點(diǎn)
1. 根據(jù)CCM的特點(diǎn),測(cè)得降壓變壓器工作在連續(xù)模式下的波形。如下圖1所示。
波形1表示PWM的波形,將開(kāi)關(guān)管觸發(fā)成導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管SW導(dǎo)通時(shí),公共點(diǎn)SW/D上的電壓為Vin。當(dāng)開(kāi)關(guān)管SW關(guān)斷時(shí),公共點(diǎn)SW/D上的電壓為負(fù)壓,電感電流就會(huì)對(duì)二極管D產(chǎn)生偏置電流,出現(xiàn)負(fù)壓降——實(shí)現(xiàn)續(xù)流的作用。
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,即S1+S2=0。S1面積對(duì)應(yīng)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)單地用矩陣高度(Vin-VOUT)乘以DTSW,S2也可以簡(jiǎn)單地用矩陣高度-Vout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:
(D(Vin-Vout)Tsw-Vout(1-D)Tsw)/Tsw=0
化簡(jiǎn)上式可以得到CCM的降壓DC傳遞函數(shù):
Vout=DVin
從上式可以看到Vout是隨著D(占空比)變化的。
總結(jié)CCM降壓變壓器的特點(diǎn):
• D限定在小于1,降壓變壓器的輸出電壓必定小于輸入電壓。
• 通過(guò)變化占空比D,可以控制輸出電壓。
• 工作在CCM模式下,會(huì)帶來(lái)額外的損耗。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,就是附加的損耗負(fù)擔(dān)。
• 輸出沒(méi)有脈沖紋波,但是有脈沖輸入電流。
3、 DCM工作模式及特點(diǎn)
1. 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。當(dāng)電感電流繼續(xù)減小,電感就會(huì)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2。
波形4中可以看出,電感電流下降為0,導(dǎo)致續(xù)流二極管截止。如果出現(xiàn)此類(lèi)情況,電感左側(cè)處于開(kāi)路狀態(tài)。理論上,電感左側(cè)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?chē)嬖诤芏嗟募纳娙?。如二極管和SW的寄生電容,容易形成振蕩電路。
對(duì)于BUCK調(diào)整器,電感進(jìn)入不連續(xù)工作模式也不會(huì)有什么問(wèn)題。在進(jìn)入不連續(xù)模式之前,直流輸出電壓Vout=VinTon/T。通過(guò)這個(gè)公式可以明顯看出與電流參數(shù)無(wú)關(guān),所以當(dāng)負(fù)載變化時(shí),不需要調(diào)節(jié)占空比,D輸出電壓依然恒定。
進(jìn)入DCM工作后,傳遞函數(shù)將發(fā)生變化,CCM的傳遞函數(shù)將不在適用。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間隨直流電流的減小而減小。下面是DCM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變成DCM。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。
總結(jié)DCM降壓變壓器的特點(diǎn):
• VOUT需要依靠負(fù)載電流;
• 對(duì)于占空比,DCM下的傳遞系數(shù)比CCM在負(fù)載電流低工作時(shí),深度DCM傳遞系數(shù)更容易達(dá)到1。
4、 CCM與DCM的比較
• DCM模式功耗較低,DCM轉(zhuǎn)換效率較高,屬于能量完全轉(zhuǎn)換;
• 工作于DCM模式下,輸出電流的紋波比CCM的要大;
• 工作于DCM模式,在電感電流為0時(shí),會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象;
• 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)載電流變化而變化。