本帖最后由 KA_IX 于 2021-10-12 15:28 编辑

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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)。

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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
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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。

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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:
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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。

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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)
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电感电流在t1-t2时间段内的减量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)
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根据ΔiL+=ΔiL-,于是有:
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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:
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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。

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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:
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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
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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,而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。
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