非同步DCDC的工作模式（CCM、DCM和BCM）

目录

1. 非同步DCDC的三种工作模式

2. 如何从CCM切换到DCM？

3. 电感电流交流纹波与电感值的关系？

4. 电感饱和意味着什么？

1. 非同步DCDC的三种工作模式

非同步DCDC工作在哪种模式，取决于拓扑和输出功率，输入电压和输出电压的大小。

CCM，连续导通模式，一个开关周期内电感电流＞0。

DCM，断续导通模式，一个开关周期内电感电流 ≥ 0。

BCM，临界导通模式，CCM切换到DCM经历的模式。

图1 连续导通模式（CCM）

图2 临界导通模式（BCM）

图3 断续导通模式（DCM）

可以看出，CCM的特点是负载电流一直大于0，BCM的特点是负载电流可等于0，DCM的特点是负载电流可等于0且保持为0，负载电流之所以不能小于0是因为有二极管存在。

非同步DCDC的一个特点是使用二极管实现续流，非同步DCDC相对于同步DCDC来说，前者是比较老的设计，并且因为使用了二极管，导致功耗较大，目前使用的大部分DCDC都是同步的，此文仅介绍非同步DCDC。

下面以TPS40200（非同步降压DCDC）为例说明相关概念。

图4 TPS40200仿真电路

从上图可以看出：

1）D3就是非同步转换器中特有的肖特基二极管。

2）该电路具有缓启动功能。

3）VIN = 8V，VOUT = 3.3V，负载电阻R_L = 3.3Ω。

仿真结果如下图所示。

图5 TPS40200输出电压V(VO)和负载电流I(RL2)

从上面的仿真结果可以看出，负载电流I(RL2)总是＞0，因此工作在CCM模式。

图6 TPS40200电感电压V(OUT)和负载电流I(RL2)

从上面的仿真结果可以看出，电感电压V(OUT)波形为斩波，电感电流I(RL2)波形为斜波，在电感电压V(OUT)从低值-0.34V突变到高值7.94V，因为电感电流不会突变，所以电流会逐渐上升；在电感电压V(OUT)从高值7.94V突变到低值-0.34V，因为电感电流不会突变，所以电流会逐渐下降。所以电感电流波形如下图所示。

图7 TPS40200负载电流I(RL2)波形

上图还可以看出，电感电流最终会回到原来的值，这个现象可用于检验所有开关拓扑的有效性。

图8 TPS40200电感电压波形

上图中，可以验证，电流上升时的斜率 = 开关闭合时电感两端电压/电感 = VON/L = (7.93V - 3.3V)/33uH = 140 V/ms；电流下降时的斜率 = 开关关闭时电感两端电压/电感 =VOFF/L = (-0.343V - 3.3V)/L = -3.643V/33uH = -110 V/ms。

可以看出，电感两端的电压是不同的，靠近开关的电压波形是斩波，此处即是交换节点，靠近负载的电压为输出电压值。

交换节点处不要铺设太多的铜，否则会形成有效的电场天线，向四周喷射放射状的射频干扰。

经过测量可知开关频率 = 300KHz。

2. 如何从CCM切换到DCM？

1）降低负载电流。

2）降低电感值L。

以下通过将负载电阻从3.3Ω改成50Ω，测到的电感电流波形如下图所示。

图9 负载电阻从3.3Ω改成50Ω测到的电感电流

对比图7和图9，可以看出当负载电阻增大时，电感电流波形下移了，选择合适的负载电阻可使工作模式从CCM切换到DCM。

降低电感值，也可切换非同步DCDC的工作模式，将电感值设置为3.3uH，负载电阻设置为3.3Ω，仿真结果如下图所示。

图10 TPS40200负载电流I(RL2)波形（L = 3.3uH，R_L = 3.3Ω）

对比图7和图10可以看出，降低电感值，可以使非同步DCDC的工作模式由CCM切换到DCM，精心挑选电感值，可使工作模式切换为BCM。

3. 电感电流交流纹波与电感值的关系？

电感值越大，电感电流交流纹波△I越小。

图11 电感电流波形（电感值L = 33uH）

图12 电感电流波形（电感值L = 330uH）

可以看出电感值越大，交流纹波越小。但是电感值越大，尺寸也会越大，这是个问题。

4. 电感饱和意味着什么？

电感饱和的原因是：电感电流的瞬时值与磁芯内部的磁场强度成正比，因此当电流达到某一值导致电感内部的磁场强度超过了某一安全值，电感就会饱和，当电感饱和后，如果电流继续增大就会又不可控的浪涌电流流过开关管。

电感饱和意味着L趋于0，根据V=Ldi/dt可知，△I=V/L，当L=0，△I趋于无穷大，会危及开关管。

因此，将电感值设置为1pH，得到的仿真结果如下。

图13 电感电流波形（电感值L = 1pH）

当将电感值设置为1pH时，可以看出，电感电流可超过20A，有可能损坏开关管，因此在电感选型时，感值宁可大一些也不可小。