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CCM、BCM、DCM之间如何无缝切换?

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前段时间,有粉丝在《纯干货!DC-DC的电感计算公式推导过程!》文章下面留言问“ton=D*T=D/fsw,不是连续模式也可以用吧?”。这个问题非常好,前面发的很多Buck电路相关的文章都是针对连续导通模式(CCM),今天也聊聊临界导通(BCM)和断续导通模式(DCM)

   

回复问题


   

   


这里先回复下这位粉丝的问题。
ton=D*T=D/fsw,不仅在CCM适用,在BCM和DCM也适用。
toff=(1-D)*T=(1-D)/fsw,在CCM/BCM模式时适用,在DCM模式下就不适用。


   

面试题


   

   


照例,先抛出来几道面试题:

(1) Buck电路有几种工作模式?

(2) 如何辨别Buck电路工作在哪种模式?

(3) 如何调整参数,可以将Buck电路从CCM模式转为DCM模式?

第一个问题比较简单,可以说是送分题,难点是在第2/3题。给自己30秒钟,思考下如果你在面试中被问及这样的问题,该如何回答。


   

Buck电路的工作模式


   

   


Buck电路的工作模式,常见的工作模式是有四种:CCM、BCM、DCM、FCCM(强制连续导通模式)。


如上图所示,针对异步Buck电路,下管为二极管,其工作模式有三种:CCM、BCM、DCM

如下图所示,针对同步Buck电路了,下管为MOS管,其工作模式有三种:CCM、BCM、FCCM



   

辨别不同工作模式


   

   


上面提到了4种工作模式,这里重点解析下CCM、BCM和DCM。FCCM后面再做专题解析。下图,3条曲线依次是上述3种模式的电感电流曲线。

前两条曲线,我们可以看到清晰的ton和toff,这里ton+toff=T。对应异步Buck电路,ton是上管Q1导通,D反向截止的时间。toff是上管Q1关断,D正向导通的时间。

第3条曲线,我们看到有ta,tb和tc。ta对应前面的ton;tb对应前面的toff;tc为系统闲置时间,是L储存的能量释放完,回路中电流已降为零,上管Q1仍然关断,D也关断,而一个开关周期T仍未结束,新的开关周期尚未开始。此时ta+tb≠Tta+tb+tc=T。由此,也说明了在DCM下toff(1-D)*T

观察上图,我们可以发现:
(1) CCM,电感电流曲线整体都在0上,每个开关周期都没有归零的时刻;
(2) BCM,电感电流每个开关周期结束时都会恰好归零,并循环往复;
(3) DCM,电感电流在每个开关周期结束前都会提前归零,并保持一段时间。

这里,我们可以得出结论:通过电感电流归零的状态,来辨别Buck电路的工作状态。如果仅仅是回答本小节的问题,看到这里就可以了。但是想要深入了解DCM模式,我们有必要再往下深挖。


   

DCM的Buck直流传递函数


   

   


Buck电路在稳态时,开关管在导通时电感电流的增量ΔiL+等于在开关管截止期间电感电流的减量ΔiL-

即:

为方便计算,我们将ton对应的ta时间起点定义为0,ta结束时间节点标记为t1,toff对应的tb结束时间节点标记为t2,系统闲置tc结束时间节点标记为t3。


因此,电感电流在0-t1时间段内的增量ΔiL+有如下推导过程:

(Da为ta时间在开关周期T内的占空比,Da*T=ta

电感电流在t1-t2时间段内ΔiL-有如下推导过程:

(Db为tb时间在开关周期T内的占空比,Db*T=tb

根据ΔiL+=ΔiL-,于是有:

根据稳态下,输出电流Io等于电感d电流的平均值,做进一步推导有BCM的直流传递函数:

其中,λ=L/RT。由此可以看出,该传递函数要比CCM的Vout/Vin=D要复杂很多。由此,我们又可以得出一个结论:在理想条件下,CCM的输出电压Vout只与占空比有关系,与负载、电感等无关。而DCM的输出电压Vout与电感L、负载电阻R、导通占空比Da、开关周期T都有关系


   

控制不同模式间的转换


   

   


不管是从CCM转到DCM,还是从DCM转到CCM,都需要经历BCM。BCM就是CCM和DCM之间的临界状态。掌握了BCM的临界状态,就能控制CCM与DCM之间的转化关系。

从上图可以看出,BCM状态下,电感电流变化量ΔI与输出电流Io有如下关系,即Buck电路CCM与DCM的临界条件:

CCM状态下,输出电流Io(负载电流)较大,ΔI<2Io

DCM状态下,输出电流Io(负载电流)较小,ΔI>2Io



如果想让Buck电路从CCM模式转到DCM模式,就是要降低输出电流(负载电流)Io或者增大ΔI,可用方法如下:

(1) 在其他条件不变的情况下,增大负载阻抗R。因为在输出电压Vout不变的情况下,R越大,Io越小;

(2) 在其他条件不变的情况下,减小电感L。因为ΔI与L是存在计算关系的,这个在之前电感公式推导的文章中有详细推导。L减小,可以增大ΔI,使ΔI>2Io


   

总结


   

   


总结下本文讲述的几个关键知识点:

(1) Buck常见的工作模式是有四种:CCM、BCM、DCM、FCCM;

(2) Buck电路的两种拓扑:异步、同步;

(3) 辨别Buck电路工作状态的方法:根据电感电流是否归零;

(4) DCM模式下Buck电路的直流传递函数。并得到结论:在理想条件下,CCM的Vout只与占空比D有关,DCM的Vout的受影响因素很多

(5) Buck电路的CCM与DCM的临界条件:ΔI=2Io

(5) Buck电路从CCM切到DCM模式的方法:增大负载电阻或减小电感。


以上所述,部分内容涉及个人理解,如有觉得不妥,欢迎留言讨论。

      怎么样?一个简短的问题,给出的回答可浅可深,就看你对这个知识点的理解达到怎样的程度。你学废了么?


 


往期文章链接:

纹波:Buck电路输出电压纹波超标,如何解决?

电感:纯干货!DC-DC的电感计算公式推导过程!

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来源:硬件微讲堂
电路控制
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首次发布时间:2023-05-12
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