科普:DCDC工作模式和调制方法

时间:2024-04-15 已阅读:2582次

DCDC中文全称为直流-直流电压转换器,它是一个将直流电压转换为另一个直流电压的电源转换装置,在我们日常生活中有极其广泛的应用,小到手机、平板、电脑,大到轨道交通、航空航天都有DCDC电源的身影。DCDC通常需要在一定的开关频率下工作,并需要一个精心设计的控制电路配合来稳定DCDC的输出电压。因此,针对不同的控制方案,我们需要设计不同的DCDC工作模式和调制办法来使其稳定工作。


01工作模式


在经典控制理论中,我们认为对于线性时不变系统,一个稳定系统的响应会趋于一个稳定不变的值,并一直保持下去。但是在DCDC开关电路中,由于系统工作在一定的时钟频率下,因此系统输出将不再是一个稳定不变的值,而是一个随时钟频率而周期变化的量。在现代控制理论中,我们将这种随周期变化的稳态输出,称为李雅普诺夫稳定,也就是范围稳定。通俗来讲,假设在一个DCDC电路中,开关导通阶段的电感电流增量恰好等于开关关断阶段的电感电流减量,也就是说达到了伏秒平衡条件,那么即使重复无数次相同的过程,每次都能得到相同的结果,就称此电路达到了稳态。


实际上,如果借用李雅普诺夫第二法来看,开关电源系统的稳定性可以通过电感储能或电容储能在一周期内保持平衡来判断其系统是否稳定。即电感的磁链平衡(伏秒平衡)和电容的电荷平衡(安秒平衡)。


因此,我们根据电感电流的运行情况将DCDC工作模式分为四种情况:


a. 在一个开关周期内电感电流始终大于零,称为连续导通模式(CCM)。

b. 在一个开关周期内电感电流出现断流情况,称为断续导通模式(DCM)。

c. 在一个开关周期内电感电流最小值刚好为零,介于DCM和CCM两者之间的临界导通模式(BCM)。

d. 在同步拓扑结构的DCDC中,由于低边管的存在,使得电感电流能够反向,因此还存在一种模式称其为强迫连续导通模式,即FCCM模式。



CCM(连续导通模式)


CCM (Continuous Conduction Mode),连续导通模式:在一个开关周期内,电感电流不出现断流情况,即电感电流始终大于零。其示意图如下图1。


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图1 CCM模式


DCM(断续导通模式)


DCM (Discontinuous Conduction Mode)断续导通模式:在一个开关周期内电感电流出现断流情况,即在一个开关周期内,有一段时间将出现电感电流为零的情况,如下图2所示。



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图2 DCM模式


BCM(临界导通模式)


BCM(Boundary Conduction Mode),临界导通模式:在一个开关周期内电感电流最小值刚好为零,刚好介于DCM和CCM两者之间的工作状态。如下图3所示。


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图3 BCM模式


FCCM(强制连续导通模式)


FCCM (Force Continuous Conduction Mode),强制连续导通模式:在异步拓扑结构的DCDC中,低边管普遍使用二极管,可防止电感电流在轻载时出现反向。但在同步拓扑DCDC中,二极管被MOSFET替代,低边管MOSFET导通时,电感电流将会出现反向的情况,反向电流由电容提供,负载可保持不变。即允许负电流存在,在轻载情况下,输出电流减小时,变换器就不会切换到DCM模式,而是转换到强迫连续导通模式(FCCM)。如下图4所示。


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图4 FCCM模式


DCDC开关电源电路属于斩波类型电路,即控制系统按照一定的调制方式,不断地导通和关断电路的控制开关,通过控制开关通断的占空比,可以实现直流电源电平的转换。调制模式也可以理解为控制输出电压的工作模式。

DCDC电源的调制方式主要有三种:PWM模式、PFM模式、PSM模式。



PWM模式(脉冲宽度调制)

PWM模式采用固定的开关频率,通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来稳定电源的输出电压。在PWM调制方式下,开关频率恒定,占空比可调,不存在长时间被关断的情况。优点:在重载情况下效率高,控制电路简单,易于设计实现,输出纹波小,有利于EMI的设计,噪声低。

缺点:在轻载情况下效率低。


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图5  PWM调制方式示意图


PFM模式(脉冲频率调制)

PFM通过调节开关频率来稳定电源的输出电压。PFM模式在正常工作时,驱动信号的脉冲宽度保持恒定(恒定导通时间),但驱动信号的关断时间随负载的不同发生改变,于是改变了系统的开关频率。由于这种调制方式改变了系统的开关频率,因此我们把它称为脉冲频率调制方式,即PFM方式。

优点:在轻载时情况下效率高。

缺点:在重载时情况下效率低,,输出电压纹波相对较大,同时由于其频率是变化的,会增加EMI设计的难度,输出滤波电路的设计也会更复杂。


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图6  PFM调制方式示意图


PWM和PFM两者最主要的区别就在于轻负载时的效率和开关纹波。在轻负载时,输出电流较小,固定开关频率的PWM方式,使得系统在轻负载时效率不高。为了提高电源在轻载时的效率,所以提出了PFM的工作模式。但是PFM模式下开关电源的纹波比较大,在重载时效率较低,且明显低于PWM工作模式。因此为了吸纳两者的优点而克服两者的缺点,聪明的工程师们提出了PFM-PWM双模式调制方式,即在轻负载情况下,电源采用PFM模式进行工作,以提高轻载时电源的效率,在负载增大以后,切换为PWM模式进行工作,以获得较低的输出纹波和更高的效率。



PSM模式(跳脉冲调制)


PSM调制是通过保持频率和脉冲宽度固定(定频定宽),根据输出负载的情况暂停个别周期,达到稳定输出电压的目的。PSM模式在正常工作情况下,当负载较重时,驱动信号满频工作,当负载较轻时,驱动信号将跳过若干开关周期,也就是说在跳过的开关周期内,功率管一直保持关断状态。

优点:在轻载时效率较高。

缺点:输出电压纹波较大。

PSM模式在轻载情况下效率高,本质上跟PFM模式是相同的道理,即通过减小开关频率或开关次数,达到减小开关损耗的目的。


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图7  PSM调制方式示意图


一般,在一定的工作模式下,配合选择的调制方式,都可以达到一定的输出效果。只是,对实际产品而言,通常会综合功耗、效率、版图面积、带载能力等综合考虑使用何种工作模式,配合哪种调制方式来达到低功耗、高效、高稳定性输出的目的。