开关电源模式大揭秘:BUCK电路如何“智能”应对负载变化?
电源先生 2025-05-09
图 1所示,有人疑惑其中的PFM是不是标错了?有人疑惑DCM的开关频率怎么会和CCM相同?图 1,BUCK降压电路的导通模式

01

/ 简介 /

图 2,BUCK降压电路的导通模式和开关频率

图 2所示,为了能够讲清楚CCM / DCM /DEM / PSM / Burst Mode / PWM / PFM 这些概念的关系,我画了这张图,期望在这篇文章中能够把它们讲清楚。

参考文章:

什么是DCM?什么是DEM?二者等同吗?

非连续导通模式(DCM)和跳脉冲模式(PSM)大揭秘,二者等同吗?差异有哪些?

跳脉冲模式(PSM)与突发模式(Burst Mode)大揭秘,二者等同吗?差异有哪些?

02

/ 电感电流是否连续:从CCM到DCM的关键点 /

图 3,BUCK降压电路的CCM模式

图 3所示,在BUCK降压电路中,电感电流(瞬时值)是三角波形状。

电感电流的中心值或平均值,等于负载电流 IOUT(这个结论在《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.3.5 电感的平均电流”章节中有两种严格的公式推导)。

电感电流的峰峰值,又叫做纹波电流,表示为 ∆IL ,其理论值大小等于纹波电流系数与负载电流的乘积,也就是 ∆IL = r × IOUT 。

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.3.2 电流纹波系数”章节,或者直接分析图 3中波形的几何关系,可知BUCK电路从CCM到DCM基于I(电流)值的“关键条件”表述:

当 IOUT > ∆IL/2 时,降压电路工作在CCM模式,图 3所示;

当 IOUT = ∆IL/2 时,降压电路工作在BCM模式,图 4所示;

当 IOUT < ∆IL/2 时,降压电路工作在DCM模式,图 5所示。同时,参考图 2,我们将 I(OUT,TON,MIN) < IOUT < ∆IL/2 对应称为“狭义DCM”,将包括“狭义DCM”、跳脉冲模式PSM(Pulse Skip Mode)和突发模式(Burst Mode)在内的三种模式称为“广义DCM”

图 4,BUCK降压电路的BCM/CRM模式

图 5,BUCK降压电路的DCM模式

由此可见,参考图 2,在BUCK电路中,随着负载电流从 I_(OUT,MAX) 逐渐减小到等于 ∆IL/2 时,对应导通从CCM过渡到BCM/CRM;随着负载电流继续减小到了 ∆IL/2 > I_OUT > I_(OUT,TON,MIN) 区间时,导通模式从BCM/CRM过渡到DCM状态。这里,将最小导通时间 T_(ON,MIN) 对应的负载电流表示为 I_(OUT,TON,MIN) 。

关键特点总结:

  • 在这些导通模式中,随着负载电流从 I_(OUT,MAX) 逐渐减小到 I_(OUT,TON,MIN) ,占空比也从 D_MAX 逐渐减小到 D_MIN = T_(ON,MIN) / T_SW 。

  • 在这些导通模式中,以传统的PWM架构(而不是COT架构)的BUCK为例,开关频率是始终不变的。

03

/ 开关频率是否改变:从PWM到PFM的关键点 /

书接前文,随着负载电流从 I_(OUT,MAX) 逐渐减小到 I_(OUT,TON,MIN) ,占空比也从 D_MAX 逐渐减小到 D_MIN = T_(ON,MIN) / T_SW ,也就是导通时间被逼到了墙角,达到了器件能够工作的最小值 T_(ON,MIN) ,即使负载电流继续减小,导通时间已经小无可小了。

如果负载电流进一步减小,也就是 I_(OUT,TON,MIN) > I_OUT > I_(OUT,S,B) 的时候,电路会进入PSM(Pulse Skip Mode)模式,图 6所示。

如果负载电流进一步减小,也就是 I_(OUT,S,B) > I_OUT 的时候,电路会进入Burst Mode,图 7所示。

图 6,BUCK降压电路的跳脉冲模式(Pulse Skip Mode)

图 7,BUCK降压电路的跳突发模式(Burst Mode)

关键特点总结:

  • 随着负载电流进一步减小,以传统的PWM架构(而不是COT架构)的BUCK为例,开关频率开始减小或者从PWM过渡到PFM的边界是 T_(ON,MIN) 这个参数。

  • 图 2中“占空比/导通时间”这列,上面“大”使用 D_MAX ,下面“小”使用 T_(ON,MIN) ,本质上是相同的。因为有 F_SW 或 T_SW 不变,而占空比和导通时间又满足关系式 T_ON = D × T_SW ,所以占空比和导通时间这两个参数是正比关系。

  • 参考图 2,在PFM这种开关频率变化的调制模式下,对应的导通模式是PSM(Power Saving Mode),具体可以进一步细分为跳脉冲模式(Pulse Skip Mode)和突发模式(Burst Mode)。

  • 跳脉冲模式(Pulse Skip Mode)和突发模式(Burst Mode)两种模式的边界电流是 I_(OUT,S,B) ,一如CCM和DCM两种模式的边界电流是 ∆IL/2 。

04

/ 这么多模式,我太难了? /

转换个电压而已,为什么需要这么多模式?这个问题其实与人们从线性电源转而拥抱开关电源的目的一样,都是为了更高的转换效率,为了能够在全负载范围内得到更加平坦的效率曲线,图 8所示。

图 8,模式更多,效率更好

别担心,作为硬件/电源工程师的我们,只需要设计好芯片外围电路即可,这些模式如何“智能”“动态”转换,是芯片设计工程师/模拟IC工程师该考虑好的。被设计良好的BUCK芯片,必须能够“智能”地应对各种负载条件。

05

/ 为什么会认为DCM开关频率不固定,应该比CCM开关频率更小? /

至少在我的认知中,以传统的PWM架构(而不是COT架构)的BUCK为例,CCM / BCM(CRM) / DCM / DEM 这几种模式的开关频率必然是相同的。

之所以有人认为DCM开关频率比CCM开关频率更小,是因为将除了CCM之外、包括BCM(CRM) / DCM / DEM / Pulse Skip Mode / Burst Mode 在内的这些模式都归类为了“不连续导通DCM”,这里“不连续导通”的DCM可以认为是“广义DCM”。同时,Pulse Skip Mode / Burst Mode这两种模式下的开关频率确实会减小。所以有:

CCM对应PWM,开关频率是不变的;DCM对应PFM,开关频率相对PWM是会减小的。

又或者是,因为每个工程师的理解不同,有些工程师认为没有必要细分,只需要区分CCM、DCM(广义)或者PWM、PFM即可,比如如下所示某大厂器件规格书 图13、图14就只给出了PFM和PWM,没有进行细分。

06

/ 小结 /

参考图 2,从此文更加细分的角度看,有以下两点结论:

图 2,BUCK降压电路的导通模式和开关频率

① 在占空比/导通时间在 D_MAX ~ T_(ON,MIN) 或者负载电流在 I_(OUT,MAX) ~ I_(OUT,TON,MIN) 这段工况内,调制模式都是PWM,开关频率是固定不变的。这里,从电感电流是否连续的角度看,如果电感电流连续(或临界,最小值等于0),对应的就是CCM / BCM(或CRM)连续导通模式;如果电感电流不连续,对应的就是DCM(非同步BUCK电路)或DEM(同步BUCK电路)。

② 在导通时间小于 T_(ON,MIN) 或负载电流小于 I_(OUT,TON,MIN) 时,调制模式切换到PFM,相对PWM的开关频率更小了。从电感电流的角度看,对应在PSM(Power Saving Mode),该模式具体又可以根据边界电流 I_(OUT,S,B) 细分为跳脉冲模式(Pulse Skip Mode)和突发模式(Burst Mode)。


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