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BUCK電路輕載條件下DCM與CCM的差異有哪些?

1. 簡介

前文[ BUCK電路CCM與DCM的臨界條件是什么? ]中介紹了DCM與CCM的臨界條件。此文,介紹輕載條件下DCM與CCM的差異...

2. 什么是“重載條件”和“輕載條件”?

參考前文[ BUCK電路CCM與DCM的臨界條件是什么? ],基于I(電流)值的“關鍵條件”重新表述如下:當 Iout>?iL/2 時,降壓電路工作在CCM模式;當 Iout=?iL/2 時,降壓電路工作在BCM模式;當 Iout<?iL/2 時,降壓電路工作在DCM模式。這里需要說明的是:在BUCK電路中, CCM模式下的負載電流或“I_OUT>?iL/2”條件,可以被稱為“重載電流”或“重載條件”;DCM模式下的負載電流或“I_OUT<?iL/2”條件,可以被稱為“輕載電流”或“輕載條件”。

3. 輕載條件下DCM和CCM的差異

(1)輕載條件下,非同步BUCK電路僅支持DCM模式,同步BUCK電路既支持DCM模式也支持CCM模式

圖 3.14 不同的BUCK電路能夠支持的工作模式也不同

圖 3.14所示,同時參考《開關電源寶典 降壓電路(BUCK)的原理與應用》“3.1.7.3 CCM模式與DCM模式的“關鍵條件”是什么?”章節內容,對于確定的非同步或同步BUCK電路來說,重載條件( I_OUT>?iL/2 )下,電路都工作在CCM模式(不存在DCM模式)”,也就不存在CCM與DCM的差異。

對于非同步BUCK電路來說,低邊開關是續流二極管,不支持反向電流,所以無法實現輕載條件下的CCM模式,僅支持輕載條件( I_OUT<?iL/2 )下的DCM模式,所以也就不存在CCM與DCM的差異。

對于同步BUCK電路來說,其低邊MOSFET導通后,電流可以從源極流向漏極,也可以從漏極流向源極,也就是電流可以雙向流過。所以,同步BUCK電路既支持輕載條件( I_OUT<?iL/2 )下的DCM模式(低邊MOSFET關斷以阻止功率電感上的反向電流),也支持輕載條件( I_OUT<?iL/2 )下的CCM模式(低邊MOSFET導通以支持功率電感上的反向電流),這二者才具有可比性。

這里需要說明的是,同步BUCK電路輕載條件下的CCM模式需要控制器強制實現,因此這時的CCM確切地說是FCCM(Forced Continuous Conduction Mode)。

(2)同步BUCK電路輕載條件下,DCM模式的轉換效率更高

參考《開關電源寶典 降壓電路(BUCK)的原理與應用》“3.4.3.3 開關損耗(Switching Loss)”章節內容,在同步BUCK電路中,高邊MOSFET和低邊MOSFET上的開關損耗計算公式分別為

同時,因為DCM模式的開關頻率比CCM模式更低,因此輕載條件下,DCM模式的開關損耗更小,對應的轉換效率也就更高。

(3)同步BUCK電路輕載條件下,CCM模式的紋波電壓更小

圖 3.15所示,參考《開關電源寶典 降壓電路(BUCK)的原理與應用》“3.2.4.5 輸出紋波電壓”章節內容,BUCK電路輸出端紋波電壓的工程計算公式為

由此可見,在同等的輕載及其他條件下,DCM模式由于開關頻率更小,導致其紋波電壓更大,而CCM模式由于開關頻率更大,其紋波電壓更小。

圖 3.15 輕載條件下,CCM與DCM的紋波電壓波形

(4)同步BUCK電路輕載條件下,CCM模式的動態響應更快

圖 3.16所示,由于DCM模式的開關頻率更小,對應的動態響應也會更慢,結果就是對應的動態峰峰值(Dynamic Peak-Peak Voltage)DVpp也會更大。相反,CCM模式的開關頻率更大,動態響應更快,DVpp也就更小。

圖 3.16 輕載條件下,CCM模式的動態響應更快,DVpp更小

4. 小結

此文,介紹了如下兩點內容:

1) 什么是“重載條件”和“輕載條件”?滿足“I_OUT>?iL/2”條件的是“重載電流”,滿足“I_OUT<?iL/2”條件的是“輕載電流”。

2) 輕載條件下DCM和CCM的四點差異,具體見正文內容。

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