CCM模式和DCM模式的定義?為什么比較少用BCM模式?
A:CCM (ContinuousConduction Mode)連續導通模式,即一個開關周期內,電感電流不會到0A。這些拓撲還可工作在BCM(Boundary Conduction Mode)臨界導通模式和DCM(Discontinuous Conduction Mode)非連續導通模式。
可見,不同模式的定義是通過電感電流是否連續或者是否到0來區分。下圖可以更直觀的區分不同模式下電感電流的波形示意圖:(其中CCM模式和BCM模式的電感電流波形在同一坐標系下,CCM模式的IL_MIN≠0

由上圖可見,BCM模式,是CCM模式和DCM模式的臨界條件。在實際設計中,常常需要控制器監控電感電流,一旦檢測到電流等于0,功率開關立即閉合。該設計會提高復雜度。BCM模式常用于中小功率下,對效率要求較高的產品中。因此在常見的設計中,通常僅考慮CCM模式和DCM模式。
如何區分CCM和DCM模式?
A:根據定義判斷CCM和DCM模式:通過電感電流歸零的狀態,來辨別電路的工作狀態。
什么時候適用于DCM模式?什么時候適用于CCM模式?
A:繼續分析CCM、BCM、DCM的電感電流波形圖,可以直觀的看出,CCM模式下,Io>△IL/2,DCM模式下,Io<△IL/2。因此,可以從電感電流紋波出發,區分DCM模式和CCM模式適用的場景。

根據經驗設計,對于反激而言,通常在系統輸出功率較小(<30W)時,采用DCM模式;在輸出功率較大(>30W)時,采用CCM模式。另外,CCM模式更適用于低輸出電壓且輸出電流高的場合,而DCM適合于高輸出電壓且電流較低的場合。
開始的分析思路:在參數設計過程中,電感電流紋波,其中0.2-0.4為電感電流紋波系數

,IL為電感電流平均值。想到對于Buck電路而言,電感電流平均值IL=輸出電流平均值Io;然后代入電感電流紋波和輸出電流的比較公式中,發現僅適用于Buck電路僅適用于CCM模式。總感覺有問題。后面想到,原來這個電感電流本身就是在CCM模式下推導得出的。
CCM模式和DCM模式的特點總結?
先寫結論,分析在后續的參數設計中詳細說明。
| DCM模式 | CCM模式 |
|---|---|
| 原邊感量較小,變壓器可以設計的較小 | 原邊感量較大,變壓器較大 |
| 副邊整流二極管可以零電流恢復,無反向恢復損耗,可以采用低成本二極管 | 副邊二極管不能零電流恢復,需要采用快恢復二極管或肖特基二極管,同時還會有額外的損耗 |
| 交流紋波大,MOS管和器件內阻損耗大 | 交流紋波小,與DCM相比導通損耗小; |
| 變壓器的磁通擺幅較大,有較大的磁滯損耗。 | 變壓器的磁通擺幅較小,磁滯損耗較小。 |
| 副邊二極管電流斷續,更換為MOS管后容易實現同步整流 | 不易實現同步整流 |
| 常用于<30W,或高壓小電流場景 | 常用于>30W,或低壓大電流場景 |
| 對于環路穩定性而言:①是一階低頻系統,即使在電壓模式也很容易穩定。②在低頻區沒有右半平面零點,得到的穿越頻率較高,也就是將環路帶寬設計的較高。③電流模式下不會產生次諧波震蕩; | 對于環路穩定性而言:①存在右半平面零點,所以環路帶寬不能設計的過高,同時在占空比大于50時,峰值電流控制模式下需要進行諧波補償;②電源模式下,不容易穩定。 |
反激CCM模式和DCM模式工作波形分析?
將進行詳細分析。
DCM和CCM模式波形分析

Vf次級反射到原邊的電壓,Vf=Vout*n,n為原副邊匝比。
Lk為變壓器原邊漏感,Lm為變壓器原邊自感
| 波形分析 | DCM模式 | CCM模式 |
|---|---|---|
| MOS管Vds波形 | 下一周期開通前,Vds會從Vin+Vf這個平臺降下來發生阻尼震蕩。 | 下一周期開通前,Vds一直維持在Vin+Vf的平臺上。 |
| MOS管Ids波形(原邊電感波形) | 三角波 | 矩形波 |
| 副邊二極管Id波形 | 三角波 | 矩形波 |
| Vds尖峰形成原因 |
尖峰A:在MOS管截止時刻,原邊電感Lm為MOS管DS電容充電,同時,由于漏感的電流也是不能突變的,而漏感的電流變化也會產生感應電動勢, 這個感應電動勢因為無法被次級耦合嵌位,所以電壓會沖得超過Vin+Vf。此后,漏感Lk與Cds發生LC諧振,由于變壓器繞線線阻、器件內阻會對諧振能量進行損耗,諧振會慢慢變小。 尖峰B:在尖峰B產生之前,副邊二極管導通,原邊電壓被鉗位。尖峰B的產生是由于副邊電感放電完畢,副邊二極管截止,此時Cds電容反向給漏感Lk充電,再次形成LC諧振,導致阻尼振蕩。 |
尖峰A:該尖峰與DCM模式的尖峰A產生的原因相同。 |
MOS管尖峰A的抑制方法:為了避免MOS管被這個尖峰電壓擊穿損壞,一般設計時會在初級側加上一個RCD吸收緩沖電路,把漏感的能量先存儲在電容上,然后在通過電阻消耗掉。一般需要抑制到尖峰電壓小于MOS管漏源電壓的80%以下,才算安全范圍。同時要防止過吸收或欠吸收。(在后續的參數設計中,將詳細介紹RCD吸收的設計過程)。
實際電路中,在MOS管開通時,存在Ids電流尖峰問題,如下圖所示。該尖峰的產生原因:變壓器存在匝間電容,在MOS管導通瞬間,匝間電容瞬間放電,導致存在電流尖峰。該尖峰會導致反激誤關斷,導致驅動大小波問題以及輸出不正常現象。
一般在采樣流過MOS管電流時,通常需要加入一個RC低通濾波,RC的截止頻率需要遠大于開關頻率,同時,需要滿足RC充電時間大于(3-5)*250ns,這樣取RC最小的充電時間為1000ns,及截止頻率要小于1Mhz。通常RC濾波的R:100Ω-1000Ω;C:100pf-1000pf。該RC濾波電路,在反激中也稱消隱電路。

拓展:CCM模式切換到DCM模式?——對Buck電路而言。
前面提到:

CCM模式轉化到DCM模式的方法就是就是要降低輸出電流(負載電流)Io或者增大ΔI
CCM下電感電流紋波為:

Δ I L = V i n ? V o L ? D ? T Delta I_L = frac{Vin-Vo}{L}*D*T
(1) 在其他條件不變的情況下,增大阻抗R,即減小負載。因為在輸出電壓Vout不變的情況下,R越大,Io越小;
(2) 在其他條件不變的情況下,減小電感L。因為ΔI與L是存在計算關系的,這個在之前電感公式推導的文章中有詳細推導。L減小,可以增大ΔI,使ΔI>2Io。
(3) 在其他條件不變的情況下,增大開關周期T,即減小開關頻率fs。也可以使得ΔI增大。
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原文標題:反激開關電源CCM和DCM模式波形分析
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