BUCK电路CCM/DCM的占空比

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01  / BUCK电路的占空比 /

占空比(Duty Cycle),定义为开关电源电路中开关管导通时间 T_ON 占整个开关周期 T_SW 的比例,即

——降压电路占空比的表达式1

这里需要注意的是,这里的“导通时间 T_ON ”特指非同步降压电路中“开关管”(而不是续流二极管)或同步降压电路中“高边开关管”(而不是低边开关管)的导通时间。

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“降压电路的导通模式有哪些?章节内容,这里直接给出结论是:降压电路中CCM模式与DCM模式的占空比、增益和传递函数都具有不同的表达形式,所以这两个模式的工作原理具有较大差异。

以下,我们分别推导出CCM模式和DCM模式下占空比的表达式,从而加深对两个模式的工作原理的理解。

02  / BUCK电路CCM模式的占空比 /

图 3.18 CCM模式下功率电感电流和电压波形

在连续导通模式(CCM)下开关周期 T_SW 等于导通时间 T_ON 和关断时间 T_OFF 之和,即

从上述公式(3.94)和(3.95),可以解得导通时间和关断时间的表达式分别为

四个公式(3.94)、(3.95)、(3.96)和(3.97)包含了四个参数,T_ON 是降压电路的导通时间,T_OFF 是关断时间,T_SW 是开关周期,D 是占空比。

从这四个公式和四个参数中可以发现,只要确定了其中的任意两个参数,其他两个参数也就可以确定。

将公式(3.95)(3.96)代入公式(3.94)可以得到基于 T_ON 和 T_OFF 这两个参数的降压电路的占空比为

——降压电路占空比的表达式2

因为在开关电源电路中,开关频率是开关周期的倒数,即 F_SW = 1 / T_SW 。根据公式(3.96),降压电路的占空比又可以表示为

——降压电路占空比的表达式3

根据公式(3.97),降压电路的占空比又可以表示为

——降压电路占空比的表达式4

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“什么是电感伏秒平衡?”[ 什么是电感伏秒平衡?如何推导? ]章节内容,由公式(3.26)解得T_OFF表达式,将其代入公式(3.98),可得基于电感电压的占空比表达式为(3.101)

——降压电路占空比的表达式5

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“什么是电感伏秒平衡?”章节内容,将公式(3.15)和(3.21)代入上述公式(3.101),可得非同步降压电路的占空比为(3.102)

——降压电路占空比的表达式6

将上述公式中续流二极管压降 V_D 使用低边开关管压降 V_(DS(ON)-L) 代替,可得同步降压电路的占空比为

——降压电路占空比的表达式7

上述,公式(3.102)和(3.103)是考虑了“寄生参数”时降压电路(BUCK)占空比的表达式,是降压电路实际工作的占空比。

这里需要知道的是,“寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”和“转换效率”的概念,可以认为是等同的;“忽略寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”也就意味着“假设转换效率是100%”。

从后续《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.4 降压电路的功率、损耗和效率”章节内容可知,正是这些寄生参数包括 V_(DS(ON)-H) 和 V_(DS(ON)-L) 等影响了转换效率,寄生参数与转换效率成反比关系。

既然“寄生参数”和“转换效率”等同,公式(3.102)和(3.103)是基于“寄生参数”的BUCK电路占空比的表达式。那么,基于“转换效率”的BUCK电路占空比该如何表达呢?

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“输入端和输出端的平均电流”章节输入电流公式(3.317)( I_IN = D × I_OUT ),“3.4.1 输入功率、输出功率、损耗功率和效率”章节输入功率、输出功率和效率公式(3.321)( P_IN = V_IN × I_IN )、(3.322)( P_OUT = V_OUT × I_OUT )和(3.323)( η = P_OUT / P_IN ),可得 V_OUT×I_OUT = η×V_IN×I_IN = η×V_IN×(D×I_OUT ) ,由此解出占空比公式(3.104):

——降压电路占空比的表达式8

这里,就是基于“转换效率”的BUCK电路占空比的表达式。

综上所述,在非同步和同步降压电路中,因为寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D 相对输入电压 V_IN 和输出电压 V_OUT 来说,是比较小的。所以,如果“忽略寄生参数 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”或“假设转换效率是100%”,在多数工程计算中,非同步和同步降压电路的占空比通常被简化为

——降压电路占空比的表达式9

这里,公式(3.105)就是不考虑“寄生参数”(在公式(3.102)和(3.103)中直接忽略寄生参数)或“转换效率”(在公式(3.104)中 η=100% )时降压电路(BUCK)的占空比表达式,也是被最广泛使用的BUCK电路的占空比表达式。

在工程计算中,如果考虑“转换效率”这个参数,BUCK电路占空比就使用“表达式8”,即公式(3.104);如果不考虑“转换效率”(也就意味着“假设转换效率是100%”),BUCK电路占空比就使用“表达式9”,即公式(3.105)。

03  / BUCK电路DCM模式的占空比 /

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“DCM模式下的直流增益和直流传递函数”章节的公式(3.73)

解出DCM模式下的占空比表达式为

与“3.1.4.3 CCM模式与DCM模式的‘关键条件’”章节所述相同,这里也是 K=2L/(RT_SW) 。

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