非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)

目录

1. 非同步DCDC的三种工作模式

2. 如何从CCM切换到DCM?

3. 电感电流交流纹波与电感值的关系?

4. 电感饱和意味着什么?


1. 非同步DCDC的三种工作模式

非同步DCDC工作在哪种模式,取决于拓扑和输出功率,输入电压和输出电压的大小。

CCM,连续导通模式,一个开关周期内电感电流>0。

DCM,断续导通模式,一个开关周期内电感电流 ≥ 0。

BCM,临界导通模式,CCM切换到DCM经历的模式。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第1张图片

图1 连续导通模式(CCM)

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第2张图片

图2 临界导通模式(BCM)

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第3张图片

图3 断续导通模式(DCM)

可以看出,CCM的特点是负载电流一直大于0,BCM的特点是负载电流可等于0,DCM的特点是负载电流可等于0且保持为0,负载电流之所以不能小于0是因为有二极管存在。

非同步DCDC的一个特点是使用二极管实现续流,非同步DCDC相对于同步DCDC来说,前者是比较老的设计,并且因为使用了二极管,导致功耗较大,目前使用的大部分DCDC都是同步的,此文仅介绍非同步DCDC。

下面以TPS40200(非同步降压DCDC)为例说明相关概念。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第4张图片

图4 TPS40200仿真电路

从上图可以看出:

1)D3就是非同步转换器中特有的肖特基二极管。

2)该电路具有缓启动功能。

3)VIN = 8V,VOUT = 3.3V,负载电阻R_L = 3.3Ω。

仿真结果如下图所示。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第5张图片

图5 TPS40200输出电压V(VO)和负载电流I(RL2)

从上面的仿真结果可以看出,负载电流I(RL2)总是>0,因此工作在CCM模式。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第6张图片

图6 TPS40200电感电压V(OUT)和负载电流I(RL2)

从上面的仿真结果可以看出,电感电压V(OUT)波形为斩波,电感电流I(RL2)波形为斜波,在电感电压V(OUT)从低值-0.34V突变到高值7.94V,因为电感电流不会突变,所以电流会逐渐上升;在电感电压V(OUT)从高值7.94V突变到低值-0.34V,因为电感电流不会突变,所以电流会逐渐下降。所以电感电流波形如下图所示。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第7张图片

图7 TPS40200负载电流I(RL2)波形

上图还可以看出,电感电流最终会回到原来的值,这个现象可用于检验所有开关拓扑的有效性。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第8张图片

图8 TPS40200电感电压波形

上图中,可以验证,电流上升时的斜率 = 开关闭合时电感两端电压/电感 = VON/L = (7.93V - 3.3V)/33uH = 140 V/ms;电流下降时的斜率 = 开关关闭时电感两端电压/电感 =VOFF/L = (-0.343V - 3.3V)/L = -3.643V/33uH = -110 V/ms。

可以看出,电感两端的电压是不同的,靠近开关的电压波形是斩波,此处即是交换节点,靠近负载的电压为输出电压值。

交换节点处不要铺设太多的铜,否则会形成有效的电场天线,向四周喷射放射状的射频干扰

经过测量可知开关频率 = 300KHz。

2. 如何从CCM切换到DCM?

1)降低负载电流。

2)降低电感值L。

以下通过将负载电阻从3.3Ω改成50Ω,测到的电感电流波形如下图所示。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第9张图片

图9 负载电阻从3.3Ω改成50Ω测到的电感电流

对比图7和图9,可以看出当负载电阻增大时,电感电流波形下移了,选择合适的负载电阻可使工作模式从CCM切换到DCM。

降低电感值,也可切换非同步DCDC的工作模式,将电感值设置为3.3uH,负载电阻设置为3.3Ω,仿真结果如下图所示。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第10张图片

图10 TPS40200负载电流I(RL2)波形(L = 3.3uH,R_L = 3.3Ω)

对比图7和图10可以看出,降低电感值,可以使非同步DCDC的工作模式由CCM切换到DCM,精心挑选电感值,可使工作模式切换为BCM。

3. 电感电流交流纹波与电感值的关系?

电感值越大,电感电流交流纹波I越小

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第11张图片

图11 电感电流波形(电感值L = 33uH)

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第12张图片

图12 电感电流波形(电感值L = 330uH)

可以看出电感值越大,交流纹波越小。但是电感值越大,尺寸也会越大,这是个问题。

4. 电感饱和意味着什么?

电感饱和的原因是:电感电流的瞬时值与磁芯内部的磁场强度成正比,因此当电流达到某一值导致电感内部的磁场强度超过了某一安全值,电感就会饱和,当电感饱和后,如果电流继续增大就会又不可控的浪涌电流流过开关管。

电感饱和意味着L趋于0,根据V=Ldi/dt可知,△I=V/L,当L=0,△I趋于无穷大,会危及开关管。

因此,将电感值设置为1pH,得到的仿真结果如下。

非同步DCDC的工作模式(CCM、DCM和BCM)_第13张图片

图13 电感电流波形(电感值L = 1pH)

当将电感值设置为1pH时,可以看出,电感电流可超过20A,有可能损坏开关管,因此在电感选型时,感值宁可大一些也不可小。

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