開(kāi)關(guān)電源的工作模式詳解

從事過(guò)電源開(kāi)發(fā)的工程師都接觸過(guò)CCM、DCM、BCM這幾個(gè)詞匯，也能大致了解其含義，但是對(duì)于這幾個(gè)概念的由來(lái)，和為什么要搞清楚這幾個(gè)概念往往還是模糊的。

以圖所示的Buck電路圖為例，說(shuō)明電源的工作模式。為了簡(jiǎn)單的說(shuō)明電源的工作模式，用仿真軟件模擬一個(gè)Buck電路用于展示幾種工作模式的情況。

Buck電路圖

圖中，輸入電壓是12V，輸入電容是33uF?？刂泼}沖的電壓是12V，上升時(shí)間500ns，下降時(shí)間500ns，脈寬4us，周期10us。輸出電感是3.3uH。輸出電容是100uF。

（1）CCM、DCM、BCM的定義：

CCM (ContinuousConduction 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)達(dá)到0A?；蛘哒f(shuō)電感從不“復(fù)位”，意味著在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感磁通從不會(huì)到0，功率管閉合時(shí)，線圈中還有電流流過(guò)。CCM模式電感電流波形如圖所示。

圖???CCM模式電感電流波形圖

DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非連續(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)亍皬?fù)位”，即功率開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電流為零。DCM模式電感電流波形如圖 所示。

圖?DCM模式電感電流波形圖

BCM（Boundary Conduction Mode），邊界或邊界線導(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)。BCM變換器可以稱(chēng)為臨界導(dǎo)通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。BCM模式電感電流波形如圖 所示。

圖??BCM模式電感電流波形圖

將三種模式下電感電流的波形放在一起對(duì)比，如圖 所示。

圖?三種工作模式的電感電流圖

（3）三種工作模式的特點(diǎn)：

以圖所示的非同步Buck電路為例，來(lái)說(shuō)明三種工作模式的特點(diǎn)。

圖??非同步Buck電路圖

為了說(shuō)明問(wèn)題，我們只在仿真電路上修改了負(fù)載為2歐姆，增加I，使其更大，這樣電感電流是基于I進(jìn)行變化的，紋波電流與0A距離更遠(yuǎn)。非同步Buck電路仿真圖如圖 所示。

圖?非同步Buck電路仿真圖

圖7.8中的輸出電流為

開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形如圖7.9所示

圖 開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形圖

開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真波形如圖 所示

圖中，紫色為IL電感電流，綠色為Vsw公共開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓

圖?開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真波形圖

非同步控制器的降壓變換器Buck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)。

BCM是一種特殊的CCM，它的電感的電流最小值為0。此時(shí)我們把負(fù)載調(diào)為3.6Ω，這樣讓紋波電流壓著0A，形成一個(gè)臨界的狀態(tài)。BCM模式仿真電路圖如圖所示。

圖?BCM模式仿真電路圖

BCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形如圖所示：

BCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形圖

BCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真波形如圖所示。

圖??BCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真波形圖

以非同步BUCK的DCM模式為例。

如果把負(fù)載調(diào)小，也就是IL電源的輸出電流變小了。相當(dāng)于上面的紋波電流繼續(xù)往下移動(dòng)，穿過(guò)0A的坐標(biāo)線。由于二極管的正向?qū)ㄐ?，上管關(guān)閉。所以電感上的電流不會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)（我們?cè)O(shè)定輸出方向?yàn)檎较颍?。此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電感上電流為0。DCM模式仿真電路圖如圖7.14所示。

圖 1.27 DCM模式仿真電路圖

DCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形如圖所示

圖 1.28 DCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流實(shí)測(cè)波形圖

DCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真圖如圖7.16所示，黃色為電感電流，藍(lán)色為Vsw電壓

圖?DCM模式開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓和電感電流仿真波形圖

（4）CCM與DCM比較：

①DCM能降低功耗的，DCM模式的轉(zhuǎn)換效率更高些；

②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；

③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。

審核編輯：湯梓紅

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