电源系列之BUCK电感工作模式

  Buck电源拓扑结构如图1所示,电压和电流极性如图2所示。Buck电源工作原理如下:1.开关管SW开通时,二极管D反向偏置而截止,二极管电流ID=0,输入电压经过电感给负载RL供电,同时电感和电容储能,电感电流IL逐渐增大,如图1中蓝色环路所示;2.开关管SW关断时,开关管电流IT=0,电感由于自身的自感电动势,通过二极管D续流,继续给负载RL供电,电感电流IL逐渐减小,如图1中红色环路所示。工作过程中,开关管以很高的频率(一般为几十KHz到MHz的量级)不断地重复开通和关断。


电源系列之BUCK电感工作模式_第1张图片
图1
电源系列之BUCK电感工作模式_第2张图片
图2

  根据能量守恒,在稳态条件下,电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0,即伏秒平衡原理。根据电感电流在一个开关周期内是否连续,有三种工作模式,分别是CCM连续电流模式,BCM临界电流模式和DCM不连续电流模式,如图3所示。


电源系列之BUCK电感工作模式_第3张图片
图3

1.CCM连续电流模式

  根据伏秒平衡原理,CCM模式在稳态情况下,开通周期D*T内,电感电压为(Vin-Vout);关断周期(1-D)*T内,电感电压为Vout,前后两者乘积相等,即:

  (Vin-Vout)DT=Vout(1-D)T,

  其中,D为占空比,T为开关周期,Vin为输入电压,Vout为输出电压,可以得到:

  Vout/Vin=D。

  由此可见CCM模式下传递函数等于占空比,且和负载电流无关。

  CCM模式下的各波形如图4所示,从中可知电感电流不会为0。在开关管SW导通期间,开关管电流IT从某个不为0的值开始上升,直到SW关断时达到最大值。根据公式U=L*dI/dt可得,电流变化率dI/dt=U/L,因此SW导通期间内的电流变化率为(Vin-Vout)/L,在此期间二极管电流ID为0;在开关管SW关断期间,二极管电流ID开始下降,直到SW重新导通时达到最小值,同理可得电流变化率为Vout/L,在此期间开关管电流为0。在整个开关导通和关断的周期内,开关管电流IT和二极管电流ID组合起来就是电感的电流IL。

  在开关管SW导通期间,SW点的电压等于输入电压Vin;在开关管SW关断期间为0(忽略二极管和开关管的压降)。开关管SW导通期间,电感左端为输入电压Vin,电感右端为输出电压Vout,因此电感两端电压为(Vin-Vout);在开关管SW关断期间,电感左端电压为0,右端为输出电压Vout,电感两端电压为(-Vout)。


电源系列之BUCK电感工作模式_第4张图片
图4

  SW引脚的电压波形,在开关管闭合和断开时,都有一个很大的尖峰,对应的电流波形也会有类似的情况。以最近设计的一个12V转5V的Buck电路为例,测量到的SW引脚电压波形,如图5所示,波形尖峰相对不大,设计尚可,对图中红圈处的尖峰展开,发现基本没有振荡现象,如图6和图7所示。但是对于某些使用外置高低侧MOS管的BUCK电路,电压尖峰会很大,而且尖峰处展开会伴随有明显的振荡现象,这是由于二极管或者同步MOS管的寄生电容,以及电路的寄生电感共同造成,寄生电感不能瞬变的电流对电容进行充电造成电压尖峰和电流尖峰,而振荡是由于电感电容LC谐振造成的。因此,一般会在二极管或者同步管两端并联一个RC吸收电路来解决这个问题。TI的LM25116芯片建议的RC吸收电路的电阻取值在5~50R之间,电容取几个nf级别。


电源系列之BUCK电感工作模式_第5张图片
图5
电源系列之BUCK电感工作模式_第6张图片
图6
电源系列之BUCK电感工作模式_第7张图片
图7

2.DCM不连续电流模式

  随着负载电流不断下降,电感将进入DCM模式,此时传递函数、电流和电压波形将发生很大变化,该模式下的输出电流纹波也比CCM模式大。因此要想维持电感在CCM模式下,有最小负载电流值的要求。

  稳态情况下,根据伏秒平衡原理有:

  (Vin-Vout)D1T=VoutD2T,得:

  Vout/Vin=D1/(D1+D2)。

  开关管导通,二极管截止的时间长度为D1T;开关管截止,二极管导通的时间长度为D2T;开关管和二极管都截止的时间长长度为(1-D1-D2)*T,D2与电路参数有关。DCM模式下的各波形如图8所示,从图中可知电感电流在某段时间内为0,此时负载电流由电容负责提供。


电源系列之BUCK电感工作模式_第8张图片
图8

  从图中可以发现电感电压存在振荡现象,振荡时间长短与电阻阻尼有关。下面分析原因。从电感电流波形可以看出,当电流下降到0时,续流二极管截止,此时电感左端开路。理论上,电感没有电流通过时,电感左右两端电压应该相等,即电感左端电压也应该等于Vout。但实际上由于续流二极管两端存在寄生电容,还有电阻的存在,因此相当于和恒压源Vout一起形成了RLC串联阻尼谐振。为何CCM模式不会产生振荡,因为电感电流不会下降到0,一直维持固定的电流方向,而LC谐振时充放电电流方向需要反复变化,该条件无法满足,因此不会发生LC谐振。实际测试到LV2843芯片的DCM模式下SW点的电压波形如图9所示,该电路由于设计时电感偏小,因此振荡较强。振荡波形的时间长度随电感值的增大可以在某种程度上相应减小。负载电流越小,电感越小,就越容易进入DCM工作模式。


电源系列之BUCK电感工作模式_第9张图片
图9

  虽然Buck电路在DCM模式下也保持了输出电压恒定不变,但是电路状态和CCM模式相比却不同。在CCM模式下,输出电压Vout=Vin*D,与负载电流无关,即使负载发生变化,占空比也不会改变。在DCM模式下,根据小信号模型可以得到传递函数如图10所示,R为负载。根据该公式可以看出,开关管的占空比D将随着负载电流的减小而减小。


在这里插入图片描述
图10

  这个公式并不需要我们去记忆,只是帮助我们更好地理解DCM模式下的电路工作状态。

往期精华:

一个MOS管电平转换电路引发的坑

—END—
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