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[DCDC] DC-DC 工作模式有苦恼?我来教你方法找!

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火星国务卿|  楼主 | 2021-7-5 10:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 火星国务卿 于 2021-7-5 10:19 编辑

#申请原创#

众所周知的是,在DC-DC功率变换中必然会最终达到稳态状态,那么稳态是什么呢?
顾名思义就是稳定的工作状态呗,变换器中所有的参数分析,条件分析,以及各种分析,其实最终都是基于一个大的前提,那就是电路达到稳态状态,也就是我们经常提及的公式,涉及DC-DC变换电路中唯一的磁性元器件电感的公式,△I ON=△I OFF,为了加深印象,我在此不厌其烦的提起这个公式,也不厌其烦的反复解释这个公式:开关导通阶段也就是电感充电阶段电流增量等于开关关断阶段电感放电阶段的电流减量,可以负责任的说,任何一个有效的开关拓扑它必然符合这个规律,它必然会达到稳态,也就是在一个周期后,电流会恢复到周期初始的状态,然后就这样重复相同的过程,循环往复,每次都得到一样的结果,这样它才是一个真正有效并且是我们最终想要的开关拓扑。

那么这个时候你肯定会问 那么拓扑达到稳态时,电感的电流波形到底是怎么样的呢?
全部都是一种状态吗?

答案显然是否定的,事实上,虽然电感都达到了稳态,但稳态中也分为以下不同的状态:



1.  在稳态中,电流无论如何变化,电流值都大于0,这种情况我们称之为连续导通模式CCM

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2.  在稳态中,电流在每个开关周期内都回归到0,我们称之为断续导通模式DCM

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3.  连续导通模式转换到断续导通模式的话,中间必然经过临界导通模式(BCM)

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4.  强迫导通模式(FCCM or FPWM)

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不管是在哪种情况下,电感电流全部以VON/L的斜率上升,以VOFF/L的斜率下降,
VON是开关导通时的电感电压,VOFF是开关关断阶段的电感电压。

我相信这个时候你肯定也有一样的问题吧?那就是什么时候会从连续导通模式变成断续导通模式呢?
其实由图中的电感平均电流你也能想到,在之前的DCDC变换原理中我们讲到,拓扑中负载的电流是与平均电感电流成正比的,那么我们从以上的图中也可以看出来,在DCM模式下,平均电感电流降低了,也就说负载电流也跟着降低了,那我们由此推断,一般来讲,当我们降低负载电流时,变换器会从连续导通模式自动切换成断续导通模式,但肯定中间会经过临界导通模式。

那紧接着你肯定又会问?怎么就降低负载电流,变换器就会从连续导通模式切换成断续导通模式了呢?这个过程中都发生了什么呢?

其实很简单,我们以恒定频率的常规非同步BUCK变换器为例来来进行说明:

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通常电感的电流工作在CCM连续电流模式,电感的平均电流等于输出的负载电流.
当负载电流降低时,电感的平均电流也将降低,降低到一定值的时候,那可想而知,这个时候是完全有可能在电感电流斜坡下降为0的时候,正好周期结束的,那这个时候自然而然变换器就处在了我们的临界导通模式下,那我们接着往下说,那当电感电流斜坡下降到0后,开关周期还没有结束,那电感电流理论上应该反向,可是由于图中二极管D1的单向导通作用,是不可能存在电流反向的,所以这个时候电感的电流斜坡会在0值处持续一段时间,直到开关周期结束,进入下个周期,此时变换器就进入到了完全的DCM断续导通模式下了。工作于DCM模式,能降低功耗的,DCM模式的转换效率更高些,属于能量完全转换;工作于DCM模式,输出电流的纹波比CCM大;工作于DCM模式,在电感电流为0的时候,会产生振荡现象;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的变化而变化。

那FPWM模式又是在哪种情况下发生的呢?
说到这不得不说,通常像上图中的BUCK拓扑,都归类于非同步拓扑,非同步拓扑的一个典型的特征就是含有逆向保护二极管,所以正如上面所介绍,当输出功率降低时,电路会从连续导通模式切换到断续导通模式,那么同步拓扑又是怎么样的呢?同步拓扑的与非同步拓扑不同的是,二极管被MOSFET所取代,如下图所示:

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对于强迫连续模式,电感电流为0时,由于Q2仍然导通,因而输出电容电压将反向加载电感上从而对电感反向激磁,电感的电流将会从0反向增加到一定值,然后Q2关断,Q1导通,输入电压加到电感上,电感上为正电压,电感的电流将从一定的负值正向增加,在过0后继续增加到一定值。不得不说的是,在这种模式下,由于两个开关管都在周期的工作,开关的功耗很大,所以系统的效率会很低,但是输出电压的纹波会很小,这种效率很低的模式适用于一些特定的应用中。



总的来说电路究竟工作在哪种模式下,实际上取决于电路本身及其工况(输出功率,输入输出电压的大小),但对比我们一般的设计来讲,一旦电路进入断续导通模式,变换器内的很多情况会发生变化,随着负载电流的减小,拓扑的环路响应通常会在断续导通模式下变慢,响应的噪声喝电磁干扰分布也会突变,当然如上面所讲,断续导通模式也有一些优势,但通常情况下,我们希望电路在断续模式下运行。以上我个人的一些浅显的理解,能力有限,欢迎各位参与讨论,希望我们每个人每天都在进步。





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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2021-07-06
理由:恭喜获得原创奖!请多多加油哦!

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lsm12502| | 2021-7-9 08:57 | 显示全部楼层
这已经是大佬发的第几篇DC-DC的文章啦?

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火星国务卿|  楼主 | 2021-7-9 09:14 | 显示全部楼层
lsm12502 发表于 2021-7-9 08:57
这已经是大佬发的第几篇DC-DC的文章啦?

难得有你捧场,我很感动

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