Buck 电路中的CCM和DCM.docx

1、Buck 电路中的CCM和DCMBuck 电路中的CCM和DCM降压电路是一种基本的DC/DC变换器。随着IPM驱动和MCU供电、LED照明驱动、继电器和交流开关供电等小功率、直接从母线电压供电的应用场合越来越多，而目前的大部分DC/DC变换器输入电压一般在50V以内，一种高压的降压型斩波变换器被研究和使用得越来越广泛。考虑到降压电路构成简单、成本较低，因此这种变换器具有良好的市场前景。本文对其原理和高压降压电路应用设计进行了详细地阐述。降压电路拓扑分析图1是降压拓扑的电路图。当t=0时驱动S导通，电源Uin向负载供电，电感电流iL线性上升。当t=ton时控制S关断，二极管VD续流，电感电流呈

2、线性下降。图1：降压拓扑电路图。 根据电感电流是否连续，可分为连续电流模式(CCM)、不连续电流模式(DCM)和临界电流模式(BCM或CRM或TM)。通常串接较大电感L使负载电流连续且纹波小。但是小功率SMPS中为了减小噪声以及损耗，通常选定电感电流不连续模式(DCM)。CCM和DCM下的各参数波形如图2所示。图2：CCM和DCM下主要参数波形。 1. BCM和CCM设IL为iL的平均值，iL是iL的纹波值。则在BCM和CCM模式下：稳态时: 又从(3)和(4)得：从(1)、(2)和(5)得： 在CCM下, (5)取号在BCM下, (5)取等号， = L=R*Ts*(1-D)/22. DCM设

3、图2中t1处iL=0，且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。则稳态时 L上电压开关周期平均值为0: C在开关周期内电流平均值为0: iL的平均值：IL=iL*(D+a)/2iL/2Load电流： Io=Uo/R根据(7)、(8)和(4)得: 0.5*(Uin-Uo)/L*D*Ts*Uin*D/Uo=Uo/R且: K=2*L/(D2*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。图3：各模式下Uo/Uin的比值变化图。 降压仿真使用SACT软件对降压电路进行仿真。若输出电压Uo=15V、输入电压Uin=220V，则选取驱动脉冲P1占空比D=Uo/Uin=15/31

4、0=0.04839。选取R=75，则输出电流Iout=15/75=0.2A。取频率为f=100kHz，按照临界电感电流模式(CRM)来设计，L=R*T*(1-D)/2=75*(1-0.04839)/(2*100kHz)=0.71mH。相应的电路和波形如图4所示。波形从上而下分为：Vdc1，Vds(SW)，VR1、IL1和ID1。图4：降压拓扑电路仿真图。 实现降压电路的控制器A635x1. A635x方框图STR-A635x系列是内置功率MOSFET和控制器的Flyback型开关电源用厚膜集成电路。A635x为PRC工作方式，采用DIP-8封装，最适于小功率电源。由于所需外接器件很少，电路设计

5、简?g，因此容易实现电源的小型化和标准化。注：PRC为Pulse Ratio Control(关断时间一定的导通脉冲宽度控制)的缩写。图5：A635x的方框图。 A635x特点： 小型DIP-8绝缘封装，适合于低背、小容量开关电源。 使用On Chip Trimming技术，振荡器内置于控制器MIC中。 控制器内部的比较器使用了温度补偿，温度漂移小。 电源启动前控制器的工作电流小(50Amax)。 内置有源低通滤波器，使电源在轻负载时能稳定工作。 使用高耐?RMOSFET，保证MOSFET的雪崩能量： 由于保证MOSFET的雪崩能量，因此可以简化浪涌吸收电路的设计 可免除Vdss的余量设计 内

6、置MOSFET的定电压驱动电路 丰富的保护功能 过电流保护(OCP)：逐个脉冲方式 过电压保护(OVP)：锁定方式过热保护(TSD)：锁定方式A635x的方框图如图5所示。2. PRC控制定电压控制是以固定MOSFET的OFF时间(?P15sec)、调节ON 时间的PRC工作方式进行。该工作方式为PRC方式。图6:PRC定电压控制动作电路图。 输出电压的定电压控制是由光耦的反馈电流实现的。当VR5电压(ID的峰值)+VR4电压(FB电流)之和达到Comp.1 反转阈值时MOSFET关断。故A63系列为电流控制方式。一般的，在电流控制方式下轻载时VR4的电压较大(由于光耦的反馈量较大)，MOSF

7、ET导通时的浪涌电流产生的噪声易使Comp.1误动作。A63系列为了防止这种现象，在MOSFET关断期间使用一个A-LPF降低OCP/FB端子与GND间的阻抗。这是一个0.8mA 的定电流电路，在MOSFET导通前，流入OCP/FB的定电流降低反馈电流产生的偏置电压，使电源能在轻载时稳定工作。与ST的Viper12相比，两者的反馈方式和开关电流设置等特点如表1所示。表1：ST与Viper12对比表。 应用实例1.参数选择电感Lp:在PWM动作模式下，电感选择可依据：其中：Po为输出功率，Idp为开关电流峰值，fsw为开关频率。在PRC动作模式下，并且处于电感电流临界模式时，式中：R是负载电阻，

8、T是开关周期。计算例 Uin.ac=90V时，Idp=0.236A，Po=1.5W，fsw=59.2kHz(根据5.3节动作波形)。于是，Lp(2Po)/(Idp2*fsw)=2*1.5W/(0.236) 2*59.2kHz=0.8?mH。若要计算临界电感电流模式(BCM)下的电感值，可根据(2)式：Lb=0.5*(Uo/Io)*Toff=0.5 *(15V/0.1A)*15s=1.125mH。由于现在采用的电感Lp=0.77mH输入电容Cin:上式中：I是放电电流，是效率，U为输入电压的纹波值，t是电容向负载释放电流的期间，T是整流周期，t由下式计算：，其中Uinmin与Upeak分别为输入

9、交流Uin的最小、最大值。计算实例 Uin.ac=90V是条件最苛刻的状态，按此电压计算，Upeak=90*1.414=127.3V，Uinmin=90*1.414*0.9=114.6V，全波整流下T=10ms。所以，t=10ms*(0.75+arcsin(114.6/127.3)/2)=10ms*(0.75+0.18)=9.3 ms。取效率=0.6,则：Cin=(1.5W*9.3ms)/(0.6*114.6*(127.3-114.6)=16.9 F。本实验中，输入电容的值取为22F/400V。输出电容Cout:式中：Uo是输出纹波电压，D是占空比，L是输出电感值，Ts为开关周期。计算实例 T

10、on=Lp*(Idp/Uin.min-Uo)=0.77mH*0.236A/(114.6-15)V=1.83s，T =Ton+Toff.max=1.83+18=19.83s 。T =19.83s，D=Ton/T=9.23%，Uo=15V*1%=0.15V，则：Cout=(19.83s)2*15V/(8*0.75V*0.77mH)*(1-9.83%)=5.76F。本实验中，输出电容的值取为10F/35V取即可满足要求。2.应用电路图基于上述计算，主要参数选取为：电感为0.77mH，续流二极管为RL3A，输出电容400V/22F，输出电容35V/10F，OCP电阻Rocp=2.7，启动电阻1M。反馈

11、电路的参数为14A的稳压二极管和1k的电阻。A635x构成降压应用电路，详细请参考图7。图7：A635x构成降压应用电路。 3.实验结果与讨论1.效率：见表2。表2：典型输入电压下电源效率。 2.输出静态性能：见表3。表3：输出静态性能。 3. 动作波形实验条件：Uin.ac=90V(除非特别指出)，Load=15V/0.1A 。波形如图8所示。图8:动作波形实验结果分析图。 本文小结STR-A635x构成的降压电路DC/DC变换器能正常工作，输出能满足规格要求。利用A635x中的MOSFET，构成降压电路拓扑结构，并用稳压二极管与电阻结合构成反馈电路，形式简单。A635x在电源正常时工作效率也较高，并且由于是PRC模式，OFF时间一定，电感设计较为方便。这种电路可用于IPM/MCU驱动和供电、LED显示、继电器和交流开关等的小功率供电的场合。因为这种电路构成成本较低，因此具有良好的市场前景。