如何创建Microsoft Word文档

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从事过电源开发的工程师都接触过CCM、DCM、BCM这几个词汇，也能大致了解其含义，但是对于这几个概念的由来，和为什么要搞清楚这几个概念往往还是模糊的。

以图1.13所示的Buck电路图为例，说明电源的工作模式。为了简单的说明电源的工作模式，用仿真软件模拟一个Buck电路用于展示几种工作模式的情况。

图 1.13 Buck电路图

图1.13中，输入电压是12V，输入电容是33μF。控制脉冲的电压是12V，上升时间500ns，下降时间500ns，脉宽4μs，周期10μs。输出电感是3.3μH。输出电容是100μF。

（1）CCM、DCM、BCM的定义：

CCM (ContinuoμsConduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会达到0A。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不会到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。CCM模式电感电流波形如图1.14所示。

 

 

 

 

图 1.14 CCM模式电感电流波形图

DCM，(Discontinuoμs Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。DCM模式电感电流波形如图1.15所示。

图 1.15 DCM模式电感电流波形图

BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。BCM模式电感电流波形如图1.16所示。

 

图 1.16 BCM模式电感电流波形图

将三种模式下电感电流的波形放在一起对比，如图1.17所示。

 

图 1.17三种工作模式的电感电流图

（3）三种工作模式的特点：

以图1.18所示的非同步Buck电路为例，来说明三种工作模式的特点。

 

图 1.18非同步Buck电路图

为了说明问题，我们只在仿真电路上修改了负载为2Ω，增加电流I，使其更大，这样电感电流是基于I进行变化的，纹波电流与0A距离更远。非同步Buck电路仿真图如图1.19所示。

 

 

图 1.19非同步Buck电路仿真图

图1.19中的输出电流为

 

输出电流由负载决定，电感电流纹波与负载无关，电感电流为

 

开关点电压和电感电流仿真波形如图1.20所示。图中，绿色为IL电感电流，紫色为开关节点（SW）电压。

 

图 1.20开关节点（SW）电压和电感电流仿真波形图

非同步控制器的降压变换器Buck工作于CCM，会带来附加损耗。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，是附加的损耗负担。

BCM是一种特殊的CCM，它的电感的电流最小值为0。此时我们把负载调为3.6Ω，这样让纹波电流压着0A，形成一个临界的状态。BCM模式仿真电路图如图1.21所示。

 

图 1.21 BCM模式仿真电路图

输出电流为

 

输出电流由负载决定，电感电流纹波与负载无关，电感电流纹波为

 

BCM模式开关点电压和电感电流仿真波形如图1.22所示。

 

图 1.22 BCM模式开关点电压和电感电流仿真波形图

以非同步BUCK的DCM模式为例。如果把负载调小，也就是IL电源的输出电流变小了。相当于上面的纹波电流继续往下移动，穿过0A的坐标线。由于二极管的正向导通性，上管关闭。所以电感上的电流不会出现负数（我们设定输出方向为正方向）。此时就会出现电感上电流为0。DCM模式仿真电路图如图1.23所示。

 

图 1.23 DCM模式仿真电路图

 

 

 

图1.23中，输出电流为

 

式中R继续增大，直到

电感电流纹波

 

式中

 

DCM模式开关点电压和电感电流仿真图如图1.24所示，黄色为电感电流，蓝色为Vsw电压

 

图 1.24 DCM模式开关点电压和电感电流仿真波形图

 

 

 

（4）CCM与DCM比较：

①DCM能降低功耗的，DCM模式的转换效率更高些；

②工作于DCM模式，会产生振荡现象，其频谱更复杂；

③工作于CCM模式，输出电压与负载电流无关。

④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的变化而变化。

对于上述电源中，由于二极管不可能产生反向电流，所以当电流接等于0之后，二极管不再进行续流。但是对于有的电源用MOSFET替代二极管，可能会继续保持CCM状态，有可能产生负电流，也可能这里增加电流检测，让电源进入DCM状态。

DCM模式的时候，由于频谱更丰富，会导致难以掌控的EMI问题，并且可能由于音频信号的产生会导致电感的啸叫。

 

 

 

5.1Boost电路的CCM模式与DCM模式

Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式（CCM）。CCM工作模式适合大功率输出电路，电感电流需保持连续状态。因此，我们按CCM工作模式来对Boost电路进行分析。不管哪种拓扑，其CCM和DCM的定义是一样的。

根据变换器稳定状态下每个开关周期起始 （结束）时电感电流的实际值，可以判断变换器的工作模式：

▪ 稳定状态下若每个周期中电流都回到零，则为断续导电模式 （DCM）；

▪ 若电流回到大于0的值，则称为连续导电模式 （CCM）；

▪ 若恰好在周期结束时回到零，则称为临界连续模式 （BCM）。

我们根据前文分析，可以知道，电感上的平均电流其实是由负载决定的，因为输出电压一定，负载的等效电阻越小，则电感上流经的平均电流IL（avg）就越大；电感上的纹波电流在输入输出电压确定的情况下，跟电感值的大小有关。当平均电流足够大的时候，电感的电流处于一个稳态，持续以纹波的形式围绕平均电流变化。当负载变化时，电流会变化，这时体现到的就是电感的平均电流变化，在图6.18中，波形上下整体移动，电路纹波大小的幅度不会变化。

 

图 6.18 电感感值变小导致纹波电流变大曲线

在电路正常工作过程中，如果电感电流的最小值大于0，也就是电感处于一个持续输出电流的稳态，只不过有一个纹波的规律性波动，则此时就是一个CCM模式，如图6.17所示，为保证电流连续，电感电流应满足：

 

（1）当时，Boost电路工作在连续导通模式（CCM）。

（2）当时，Boost电路工作在临界导通模式（BCM） 。

（3）当时，Boost电路工作在非连续导通模式（DCM） 。

1.CCM模式

CCM模式下电感电流的波形，如图6.19所示。

 

 

 

图 6.19 CCM模式下Boost电路的电感电流曲线

当开关管（MOSFET）为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为V in，考虑到MOSFET的S极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时，通过L的电流增加部分ILon。升压变换器 CCM/DCM 边界条件 Boost 在 CCM/DCM 的边界情况，是指开关截止期间电感电流从最大值正好减小到零，电流值一旦为零下一个开关周期便开始了。此时，电感电流平均值可表示为：

 

 

开关管导通时的压降Vds（on）和线路上其他电阻或者走线的的压降，我们可以忽略不计。

当开关管截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为Vf，开关管截止时，电感L两端的电压为Vout+Vf-Vin，电流的减少部分△ILoff满足下式。

 

Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。

在电路稳定状态下，总的电流保持稳定。则电感在开关管开关的两个时间的变化量相同，有：

 

 

在电感选型的时候，满足这个值，则电源始终保持在CCM模式。

2.BCM

跟Buck电路一样，BCM是一种临界态，相当于电感正好出现流经电流为0的情况。BCM就是CCM-DCM临界模式。本质BCM更像CCM的一种特殊情况，波形也是跟CCM一样是一个稳态，如图6.20。

 

 

图 6.20 BCM模式下Boost电路的电感电流曲线

3.DCM

在开关关闭之后，电感处于一个释放能量的装填。电感的电流在继续放电的过程中，一旦到达0之后，没有能量继续释放，会继续保持0，此时输出电流就依赖输出电容进行维持，此时电感的电流如图6.21所示。

 

 

图 6.21 DCM模式下Boost电路的电感电流曲线

实际测试到的波形如图6.22中的曲线所示。

 

图 6.22 DCM模式下Boost电路的电感的实测波形

5.2反极性Buck/Boost的CCM模式和DCM模式

反极性Buck/Boost 变换器主电路的元件由开关管、二极管、电感、电容等构成。输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost 变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式。

反极性Buck/Boost也可以分为同步和非同步两种控制器。如图7.9所示，左图为非同步控制器，是由开关管Q1、二极管D1、电感L组成拓扑；右图为同步控制器，由Q2替代D1实现。

 

图 7.9 反极性Buck/Boost的非同步控制器和同步控制器

通过控制 Q1 与 Q2 的导通关断时间，对储能元件电感 L 与输出电容 Cout进行充放电，产生稳定的直流输出电压 Vout。其中 VIN为电源输入电压，Q1 为主开关功率管， 一般用 MOSFET，D1 为续流二极管，也可以用一个开关管Q2来代替。

工作过程一般包含充电阶段和续流阶段。详细的工作原理为，当系统稳定时，若 Q1 导通、Q2关断（或者D1反向截止）时，输入电压 VIN给电感 L 充电，电流的方向为顺时针，此时电能转化为电感磁能，能量储存于电感上，此时电感电流随着 Q1导通时间的增加而增大；电感储能的同时，输出电容 Cout与负载 RL构成回路，上一阶段电容 Cout存储的能量释放给负载电阻 RL，提供所需的能量，电流方向为逆时针，输出电压为负值，输出电压的绝对值随着充电阶段的时间的增加而下降，该过程称为环路的充电阶段。

若 Q1 关断、Q2 导通（或者D1正向导通）时，此时电感电流在上一充电阶段储存的磁能，由电感 L、输出电容 Cout、负载 RL和开关管Q2（或者二极管D1续流）构成的回路进行释放，此时电感磁能转化成电能，电感电流随着 Q2 导通时间的增加而减小，一部分用于 Cout充电，进行储能，另一部分用于为负载RL提供电流，由于电感上的电流不能突变的特性，所以电流方向为逆时针，输出电压也为负值，输出电压的绝对值随着续流阶段的时间的增加而上升，该过程称为续流阶段。

根据 反极性Buck/boost 的工作原理可知，电感电流在充电阶段是连续上升的，在续流阶段是连续下降的，而根据电感电流在续流阶段是否降为零，分为连续导通模式（CCM）与非连续导通模式（DCM）。

1.连续导通模式（CCM）

连续导通模式是电感电流在续流阶段不为零，而在大负载电流情况下易为 CCM 模式。其工作原理如图7.10所示。

 

图 7.10 反极性Buck-Boost的CCM模式工作原理

由图所示为，在每个周期内，当主开关管 Q1 导通，D1反向截止时，输入电压 VIN通过 Q1 给电感充电，电感电流持续增大，此时 L的电压值被拉高约为 VIN（正值）。当开关管Q1 关断，由于D1左侧的电压为VIN，右侧为负值Vout，则D1为反向截止，电感电流给电容 Cout与负载 RL提供能量，电感电流在持续减小， 此时 L的电压值为Vout（负值）。所以 L的值与电感电流的值都是在周期性变换的，信号上电的波形图如图7.11所示。

 

图 7.11 反极性Buck/Boost的CCM模式电感的电压和电流图

当工作在 CCM 模式下，每个周期内都有包含完整的充电阶段和放电阶段。ΔIL为电感电流纹波，Iavg电感电流平均值。

2.非连续导通模式（DCM）

当 Iout>0.5ΔIL时，工作在 CCM 模式下，当 Iout<0.5ΔI时,工作在DCM模式，当 Iout=0.5ΔIL时，工作在临界模式。故当负载电流过小时，电路容易工作在 DCM 模式下。此时有一个阶段电感上电流为0，电压也为0，如图7.12所示。

 

图 7.12 反极性Buck/Boost的DCM模式电感的电压和电流图

工作工作在 DCM 模式下是，一个有三个状态：充电阶段、放电阶段 和电感电流为零阶段，这三阶段在一个周期内的时间分别为 T1、T2、T3。充电阶段的占空比为 D1，放电阶段的占空比为 D2。在T3期间， Q1关断 和 D1截止， 电感电流为零，负载由输出滤波电容供电。

 

 

 

根据能量守恒定律，在不考虑电感的寄生阻抗，以及 MOS 管的导通压降下等的理想情况下，电感电流在充电阶段与放电阶段的变化量是相等的。

 

 

不考虑损耗，输入功率等于输出功率，考虑输出的是负压，输入电流与输入电压的乘积等于输出电流和输出电压的乘积，则有：

 

此时根据输出电流Iout与电感电流平均值ΔIL/2的关系可得表达式为，电感放出的电量总和（电感电流变化量ΔIL除以2得到平均电流再乘以放电的时间T*D2）等于电源输出的电量总和（输出电流Iout乘以一个周期的时间T）：