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        開關(guān)電源中的CCM與DCM的區(qū)別

        發(fā)布人:電子資料庫 時間:2022-12-31 來源:工程師 發(fā)布文章
        簡介

        反激變換器常用于進行AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換的開關(guān)模式電源,尤其是中低功率范圍(約2W至100W)的電源。在這個功率范圍內(nèi),反激變換器在尺寸、成本和效率比方面都極具競爭力。

        反激變換器的工作基于耦合電感器,該電感器除了幫助實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換,還可以在變換器的輸入和輸出之間提供隔離功能。除此之外,它具有與其他開關(guān)變換器拓撲相同的基本元素:兩個開關(guān)(MOSFET和二極管)和一個輸出電容器。

        反激變換器有兩個工作階段,即tON和tOFF,這兩個階段分別根據(jù)MOSFET的開關(guān)狀態(tài)來命名并控制。

        在tON,期間,MOSFET導通,電流從輸入端流過原邊電感器,對耦合電感器進行線性充電,并在其周圍產(chǎn)生磁場(見圖1.b)。在副邊,整流二極管反向偏置,從而使變壓器與輸出端斷開連接(見圖1.a)。

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        圖1:a)MOSFET和二極管中的電壓 b)原邊和副邊線圈中的電流

        存儲在輸出電容器中的電荷負責保持負載上的電壓穩(wěn)定(見圖2)。

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        圖2:反激變換器電流原理圖

        在tOFF,期間,MOSFET斷開,耦合電感器開始通過二極管消磁(二極管現(xiàn)在已直接極化)。然后,電感電流會為輸出電容器充電并為負載供電。

        反激變換器有兩種工作模式,采用何種方式取決于每個周期中電感電流的最小值。如果在電感完全放電之前MOSFET從tOFF切換到tON,則電感中的電流永遠不會為零,這種操作方式稱為連續(xù)導通模式(CCM)。如果tOFF持續(xù)足夠長的時間使原邊電感器能夠完全放電,則電感電流將在一段時間內(nèi)為零,此時二極管和MOSFET都處于截止狀態(tài),我們稱為斷續(xù)導通模式(DCM)。

        CCM vs. DCM

        反激變換器的這兩種工作模式看起來非常相似,但實際上各有優(yōu)缺點。設(shè)計人員在設(shè)計過程中全面考慮這些優(yōu)缺點非常重要,因為其所選的工作模式會對電源變換器的效率、變壓器、調(diào)整率、EMI和成本都產(chǎn)生重大影響。圖3和圖4顯示了CCM和DCM之間的區(qū)別。

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        圖3: CCM模式下的電流和電壓波形

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        圖4: DCM模式下的電流和電壓波形

        效率

        在DCM模式下,由于二極管上沒有反向恢復損耗且MOSFET為軟導通,其效率要高于CCM模式。但如果占空比太小,則為原邊電感充電的電流將非常高,這會降低變換器的整體效率。因此,必須為DCM選擇一個合適的占空比,以發(fā)揮其優(yōu)勢。

        變壓器

        至于變壓器的尺寸,由于DCM模式需要的電感器較小,因此從理論上講,它可以使用較小的變壓器。但是,由于原邊和副邊電流的尖峰增加,因此變壓器線規(guī)也必須加大,這意味著兩種模式下的變壓器大小是差不多相同的。盡管如此,DCM模式實際上確實允許使用更小的變壓器。由于DCM比CCM模式更有效,因此可以提高DCM模式下的開關(guān)頻率,從而應用更小的變壓器。

        調(diào)整率

        至于系統(tǒng)調(diào)整率和穩(wěn)定性,DCM模式中的反激拓撲比CCM模式中的反激拓撲更易補償。這是因為當變換器以CCM模式運行時,會出現(xiàn)不確定的右半平面零點(RHPZ),它會在較低頻率上引入不穩(wěn)定性。DCM模式則將RHPZ推到了更高的頻率上,使環(huán)路更易補償,因此可以提供比CCM更快的瞬態(tài)響應。

        此外,當占空比大于0.5時,CCM反激變換器可能會產(chǎn)生次諧波振蕩,這意味著需要進行斜率補償。

        EMI

        由于DCM模式會對電感器完全充電和放電,因此邏輯上其原邊電流紋波要比CCM模式下大很多。電流紋波將產(chǎn)生一個可變信號,由于原邊電流回路中不同組件類似天線的行為,該信號隨后被傳播,并產(chǎn)生顯著的電磁干擾(EMI)。

        另一方面,DCM反激變換器還實現(xiàn)了零電流開關(guān)(ZCS),這減少了整流二極管的反向恢復,從而提高了能源效率。但這種軟開關(guān)會影響效率并對EMI產(chǎn)生重大影響,因為它必須使用快速恢復二極管來減少能量損耗,但這會在副邊產(chǎn)生非常尖銳的電壓尖峰,引起振鈴,并可能導致高頻差模噪聲。為解決這個問題,必須采用緩沖電路來減少這些尖峰并確保符合電磁兼容性(EMC)標準和法規(guī)。

        總結(jié)

        本文介紹了連續(xù)導通模式(CCM)和斷續(xù)導通模式(DCM)之間的主要區(qū)別。表1匯總了這些差異,并概述了前文未提及的差異。

        變量

        DCM

        CCM

        效率

        較高

        較低

        MOSFET VDS_MAX

        相同

        MOSFET ID_MAX (IP_MAX)

        較高

        較低

        整流二極管反向電壓峰值 (VD_PK)

        Same

        整流二極管電流峰值 ID1_PK (IS_PK)

        較高

        較低

        RMS 電流和紋波

        較高

        較低

        變壓器尺寸

        較小

        較大

        EMI

        較高, 要求較大的電容和濾波器

        較低,較小的電容和濾波器

        交叉調(diào)整率

        較高變化

        較低變化

        瞬態(tài)響應

        較快

        較慢

        穩(wěn)定性

        • 一階系統(tǒng)

        • 穩(wěn)定性更強

        • 簡單的傳遞函數(shù)

        • 系統(tǒng)正確穩(wěn)定的難度增加

        • RHPZ會產(chǎn)生不利影響

        • 在高占空比(> 50%)下工作時,會出現(xiàn)次諧波振蕩,需要進行斜率補償

        圖1: DCM 與 CCM


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