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科普：DCDC工作模式和調(diào)制方法
時(shí)間：2024-04-15 已閱讀:12145次
DCDC中文全稱為直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓的電源轉(zhuǎn)換裝置，在我們?nèi)粘Ｉ钪杏袠O其廣泛的應(yīng)用，小到手機(jī)、平板、電腦，大到軌道交通、航空航天都有DCDC電源的身影。DCDC通常需要在一定的開關(guān)頻率下工作，并需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的控制電路配合來穩(wěn)定DCDC的輸出電壓。因此，針對不同的控制方案，我們需要設(shè)計(jì)不同的DCDC工作模式和調(diào)制辦法來使其穩(wěn)定工作。
01工作模式
在經(jīng)典控制理論中，我們認(rèn)為對于線性時(shí)不變系統(tǒng)，一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定不變的值，并一直保持下去。但是在DCDC開關(guān)電路中，由于系統(tǒng)工作在一定的時(shí)鐘頻率下，因此系統(tǒng)輸出將不再是一個(gè)穩(wěn)定不變的值，而是一個(gè)隨時(shí)鐘頻率而周期變化的量。在現(xiàn)代控制理論中，我們將這種隨周期變化的穩(wěn)態(tài)輸出，稱為李雅普諾夫穩(wěn)定，也就是范圍穩(wěn)定。通俗來講，假設(shè)在一個(gè)DCDC電路中，開關(guān)導(dǎo)通階段的電感電流增量恰好等于開關(guān)關(guān)斷階段的電感電流減量，也就是說達(dá)到了伏秒平衡條件，那么即使重復(fù)無數(shù)次相同的過程，每次都能得到相同的結(jié)果，就稱此電路達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。
實(shí)際上，如果借用李雅普諾夫第二法來看，開關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過電感儲(chǔ)能或電容儲(chǔ)能在一周期內(nèi)保持平衡來判斷其系統(tǒng)是否穩(wěn)定。即電感的磁鏈平衡（伏秒平衡）和電容的電荷平衡（安秒平衡）。
因此，我們根據(jù)電感電流的運(yùn)行情況將DCDC工作模式分為四種情況：
a. 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流始終大于零，稱為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。
b. 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流出現(xiàn)斷流情況，稱為斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。
c. 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流最小值剛好為零，介于DCM和CCM兩者之間的臨界導(dǎo)通模式（BCM）。
d. 在同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DCDC中，由于低邊管的存在，使得電感電流能夠反向，因此還存在一種模式稱其為強(qiáng)迫連續(xù)導(dǎo)通模式，即FCCM模式。
CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）
CCM (Continuous Conduction Mode)，連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流不出現(xiàn)斷流情況，即電感電流始終大于零。其示意圖如下圖1。
圖1 CCM模式
DCM（斷續(xù)導(dǎo)通模式）
DCM (Discontinuous Conduction Mode)斷續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流出現(xiàn)斷流情況，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有一段時(shí)間將出現(xiàn)電感電流為零的情況，如下圖2所示。
圖2 DCM模式
BCM（臨界導(dǎo)通模式）
BCM（Boundary Conduction Mode），臨界導(dǎo)通模式：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流最小值剛好為零，剛好介于DCM和CCM兩者之間的工作狀態(tài)。如下圖3所示。
圖3 BCM模式
FCCM（強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式）
FCCM (Force Continuous Conduction Mode),強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式：在異步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DCDC中，低邊管普遍使用二極管，可防止電感電流在輕載時(shí)出現(xiàn)反向。但在同步拓?fù)銬CDC中，二極管被MOSFET替代，低邊管MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電感電流將會(huì)出現(xiàn)反向的情況，反向電流由電容提供，負(fù)載可保持不變。即允許負(fù)電流存在，在輕載情況下，輸出電流減小時(shí)，變換器就不會(huì)切換到DCM模式，而是轉(zhuǎn)換到強(qiáng)迫連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）。如下圖4所示。
圖4 FCCM模式
DCDC開關(guān)電源電路屬于斬波類型電路，即控制系統(tǒng)按照一定的調(diào)制方式，不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷電路的控制開關(guān)，通過控制開關(guān)通斷的占空比，可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。調(diào)制模式也可以理解為控制輸出電壓的工作模式。
DCDC電源的調(diào)制方式主要有三種：PWM模式、PFM模式、PSM模式。
PWM模式(脈沖寬度調(diào)制)
PWM模式采用固定的開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來穩(wěn)定電源的輸出電壓。在PWM調(diào)制方式下，開關(guān)頻率恒定，占空比可調(diào)，不存在長時(shí)間被關(guān)斷的情況。優(yōu)點(diǎn):在重載情況下效率高，控制電路簡單，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，輸出紋波小，有利于EMI的設(shè)計(jì)，噪聲低。
缺點(diǎn):在輕載情況下效率低。
圖5 PWM調(diào)制方式示意圖
PFM模式(脈沖頻率調(diào)制)
PFM通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來穩(wěn)定電源的輸出電壓。PFM模式在正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號的脈沖寬度保持恒定(恒定導(dǎo)通時(shí)間)，但驅(qū)動(dòng)信號的關(guān)斷時(shí)間隨負(fù)載的不同發(fā)生改變，于是改變了系統(tǒng)的開關(guān)頻率。由于這種調(diào)制方式改變了系統(tǒng)的開關(guān)頻率，因此我們把它稱為脈沖頻率調(diào)制方式，即PFM方式。
優(yōu)點(diǎn):在輕載時(shí)情況下效率高。
缺點(diǎn):在重載時(shí)情況下效率低，，輸出電壓紋波相對較大，同時(shí)由于其頻率是變化的，會(huì)增加EMI設(shè)計(jì)的難度，輸出濾波電路的設(shè)計(jì)也會(huì)更復(fù)雜。
圖6 PFM調(diào)制方式示意圖
PWM和PFM兩者最主要的區(qū)別就在于輕負(fù)載時(shí)的效率和開關(guān)紋波。在輕負(fù)載時(shí)，輸出電流較小，固定開關(guān)頻率的PWM方式，使得系統(tǒng)在輕負(fù)載時(shí)效率不高。為了提高電源在輕載時(shí)的效率，所以提出了PFM的工作模式。但是PFM模式下開關(guān)電源的紋波比較大，在重載時(shí)效率較低，且明顯低于PWM工作模式。因此為了吸納兩者的優(yōu)點(diǎn)而克服兩者的缺點(diǎn)，聰明的工程師們提出了PFM-PWM雙模式調(diào)制方式，即在輕負(fù)載情況下，電源采用PFM模式進(jìn)行工作，以提高輕載時(shí)電源的效率，在負(fù)載增大以后，切換為PWM模式進(jìn)行工作，以獲得較低的輸出紋波和更高的效率。
PSM模式(跳脈沖調(diào)制)
PSM調(diào)制是通過保持頻率和脈沖寬度固定(定頻定寬)，根據(jù)輸出負(fù)載的情況暫停個(gè)別周期，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。PSM模式在正常工作情況下，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號滿頻工作，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號將跳過若干開關(guān)周期，也就是說在跳過的開關(guān)周期內(nèi)，功率管一直保持關(guān)斷狀態(tài)。
優(yōu)點(diǎn):在輕載時(shí)效率較高。
缺點(diǎn):輸出電壓紋波較大。
PSM模式在輕載情況下效率高，本質(zhì)上跟PFM模式是相同的道理，即通過減小開關(guān)頻率或開關(guān)次數(shù)，達(dá)到減小開關(guān)損耗的目的。
圖7 PSM調(diào)制方式示意圖
一般，在一定的工作模式下，配合選擇的調(diào)制方式，都可以達(dá)到一定的輸出效果。只是，對實(shí)際產(chǎn)品而言，通常會(huì)綜合功耗、效率、版圖面積、帶載能力等綜合考慮使用何種工作模式，配合哪種調(diào)制方式來達(dá)到低功耗、高效、高穩(wěn)定性輸出的目的。
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