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(1)基于MCHP 16bit dspic33系列全数字控制同步Buck入门
(2)BUCK电路的由来
(3)Buck变换器工作原理仿真及分析(基于Saber)
(4)Buck变换器的功率级小信号分析
(5)环路设计知识要点分享
(6)RLC二阶电路分析
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(3)Buck变换器工作原理仿真及分析(基于Saber)

Buck变换器根据电感电流在一个周期内是否为零,可以分为连续模式和不连续模式:处于稳态工作的Buck变换器,如果电感电流在整个周期内都是连续的,则为连续工作模式(CCM, Continue Current Mode);如果电感电流在周期内某一段时间为零,则为不连续工作模式(DCM,Discontinue Current Mode),处于连续模式和不连续模式之间为临界模式(BCM),此时,电感电流在下一个导通瞬间刚好下降到零。

下面进行CCM模式的Buck变换器稳态分析:

Q1导通

当开关管Q1导通时,电感电路线性上升,给输出电容C1充电的同时也给负载进行供电,电感两端的电压为Vin-Vout:

电感电流线性上升:

ΔiL为电感纹波电流,一般在CCM模式下,取电感纹波系数r=0.4:

Q1截止

当开关管Q1截止时,由于电感电流不能突变,续流二极管D1导通,电感续流,电感电流线性下降,此时由C1进行输出负载供电。忽略二极管导通压降有:

对于稳态工作的Buck变换器而言,导通时电感电流的增加必须与截止时电感电流的减少相等,才能保证电感的磁复位。试想一下,如果不相等,会有什么样的后果?通过一个开关周期内,电感两端的伏秒平衡原理,可以得出输入与输出的关系:

Vout = D*Vin

由于假设电感、电流为理想元件,一个周期内不消耗能量,因此,输出负载电流也就等于电感电流一个周期内的平均值,即Io=IL(avg)。换句话说,Buck变换器电感电流的平均值等于负载电流的平均值,这个结论,不管是CCM,DCM还是BCM都成立。

CCM态

DCM模式下的工作状态:
对于连续模式工作的Buck变换,如果负载电流持续降低,将会出现在一个周期内的某一时段电感电流为零的情况。这种工作模式就是非连续(DCM)的Buck变换工作模式。在每个周期中,DCM的Buck变换有三种工作状态。

DCM态

ON态:Q1导通,二极管D1截止,电感电流线性增加:

对于DCM模式,上式为电感电流的幅值,也为电感电流的峰值。OFF态:Q1关闭,D1导通,电感电流线性下降:

IDLE态:Q1截止,D1截止,电感电流理论上为零(实际电路中会由于电感电容谐振而存在谐振电流)。所以,在一个周期内,根据电感两端的伏秒平衡关系,得出:

由于是DCM模式,所以Ton+Toff是小于1的。
CCM/DCM边界的确定:

BCM边界

从图中可知:

利用上面边界条件,可以推出Buck变换器的DCM条件:

恒频同步Buck变换器:
一般用肖特基二极管作为续流二极管,但是在低压大电流的时候,由于肖特基二极管也有差不多0.3V左右的导通压降,会对效率影响比较明显,这个时候就提出了同步Buck变换器,将续流二极管更换为Si的MOSFET。如下:

同步Buck变换器

Q1和Q2采用互补的方式,中间留有一点的死区时间,防止发生直通。
需要注意的是,由于Q2的体二极管正向导通压降大,反向恢复特性比较差,也会影响到效率。所以,会在Q2的体二极管外部并联一个肖特基二极管,避免在死区时间内走Q2的体二极管而带来额外的损耗。为了确保肖特基二极管在死区时间下能走电流,必须保证用很粗且很短的引线连接外部肖特基二极管和MOSFET的DS极。否则,引线电感会非常高,足以使电流无法按照预期从体二极管转移至肖特基二极管。最好的解决方案是把肖特基二极管集成到MOSFET里面去,最好在同一个内芯上,尽可能减小寄生电感。
采用恒频同步Buck变换器在CCM模式下(重载)与二极管续流的模式是一样的,如果负载进入到轻载,将不会出现DCM模式,此时电感电流会过零反相,原因是Q1关断,Q2导通,当电感电流线性减小到零后,由于Q2继续导通,此时在电感两端的电压仍然存在,会导致电感电流反相增加,直到Q2关断,Q1导通,电感电流会反相增加到零然后变为正;

同步Buck轻载模式下电流波形

同步模式的主要优点是什么呢?恒频,空闲期没有震荡(因此电磁干扰可以预见),栅极驱动电路更简单,占空比恒定(即使在轻载时),电压应力计算方程更简单。二极管仿真模式(也就是同步MOSFET仿真二极管模式,有DCM)的主要优点时开关损耗小(没有导通时的交叉损耗,因为在交叉时间内瞬时电流为零),一般更加稳定(单极点开环增益,没有低频右半平面零点,也没有次谐波不稳定),但这种模式环路响应慢。

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  • huanjue562018 2022-03-29 17:07
    不明白为啥DCM比CCM效率高
    回复 2条回复
  • 阳光帝国 2020-11-11 09:15
    围观学习
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