BUCK的工作模式:CCM BCM DCM

连续导通模式CCM

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CCM工作状态

一个开关周期内,电感内的电流始终大于0,电感在DCDC整个工作周期中一直处于充电放电状态;即使DCDC的功率开关管断开时(Toff),电感中一直有电流流过;
功率开关管闭合时(Ton),电感中电流以一定的速率上升;功率开关管断开时(Toff),电感中电流以一定的速率下降;
同步DCDC忽略开关压降时,满足下列:
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CCM工作模式下,纹波电流小于2倍的输出电流;
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CCM特点

  • 优点:高稳定性,适用于对电压稳定性要求更高的场景;电感电流连续,纹波电流低,电磁干扰较小;重负载下转换效率较高,适用于中高功率应用;
  • 缺点:轻负载时损耗大;

问题:为什么CCM在轻载下损耗较大?

  1. 轻载下,电感上一直有电流流过,电感有一定的直流阻抗ESR,因此电感上有一定的损耗;DCM相比,电感损耗较大;
  2. 轻载下,频率于重载时是一样的,开关损耗不变的;与BCM相比,开关损耗较大;

临界导通模式BCM

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BCM工作状态

DCDC控制器监控电感中的电流量,一旦检测到电感中的电流为0时,DCDC功率开关管立即闭合,开始重新给电感进行充电;即DCDC控制器通过电感电流量为0来激活开关;
从上图中可以看到,DCDC的周期是可变的;
功率开关管闭合时(Ton),电感中电流以一定的速率上升;功率开关管断开时(Toff),电感中电流以一定的速率下降(下降速率随负载电流的大小而变化);
同步DCDC忽略开关压降时,满足下列:
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BCM工作模式下,纹波电流等于2倍的输出电流;
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BCM特点

  • 优点:开关频率随负载变化而变化,可以适应不同的负载,在不通负载下保持较高的转换速率,适用于负载变化大的场合;不通负载下损耗较低;
  • 缺点:需要检测DCDC电感中的电流量,控制复杂;频率在变化中,对滤波要求较高;

注意:BCM是处于CCM与DCM模式之间的一种临界模式,是一种理想模式,并不常使用。

断续导通模式DCM

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DCM工作状态

一个开关周期内,电感电流总会到0;
功率开关管闭合时(Ton),电感中电流以一定的速率上升;功率开关管断开时(Toff),电感中电流以一定的速率下降,电感中电流变为0后维持电感中电流量为0直到此开关周期结束;在下一周期开始时,DCDC功率开关管才会重新闭合,电感重新开始充电;
由于每个周期中电感都会有一段时间电流为0,即使忽略开关压降时,也无法满足下列:
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DCM工作模式下,纹波电流大于2倍的输出电流;
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DCM特点

  • 优点:在轻载模式下,频率较低且存在电感为0的时刻,开关损耗与电感直流阻抗损耗都较小,效率较高;
  • 缺点:纹波较大,稳定性差;输出电压波动大;电磁干扰较大;

问题:在电感电流为0时,SW的波形为什么会出现震荡?
DCM工作模式下,当电感电流为0但一个开关周期仍为结束时,控制器依然会断开两个NMOS管,此时,SW未连接到Vin或GND,处于浮动的状态,DCDC等到下一个周期开始后才会重新闭合功率管为电感充电;
电感电流降为0的瞬间,NMOS管(下管)体二极管反向截止,产生反向电流;由于NMOS管存在寄生电容,走线中存在一定寄生电感,二者一起构成LC振荡器;二极管反向电流构成的能量在LC在振荡器中不断震荡且逐渐消耗变弱,直到下一个周期重新开始。

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