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BUCK电路轻载条件下DCM与CCM的差异有哪些?

1. 简介

前文[ BUCK电路CCM与DCM的临界条件是什么? ]中介绍了DCM与CCM的临界条件。此文,介绍轻载条件下DCM与CCM的差异...

2. 什么是“重载条件”和“轻载条件”?

参考前文[ BUCK电路CCM与DCM的临界条件是什么? ],基于I(电流)值的“关键条件”重新表述如下:当 Iout>∆iL/2 时,降压电路工作在CCM模式;当 Iout=∆iL/2 时,降压电路工作在BCM模式;当 Iout<∆iL/2 时,降压电路工作在DCM模式。这里需要说明的是:在BUCK电路中, CCM模式下的负载电流或“I_OUT>∆iL/2”条件,可以被称为“重载电流”或“重载条件”;DCM模式下的负载电流或“I_OUT<∆iL/2”条件,可以被称为“轻载电流”或“轻载条件”

3. 轻载条件下DCM和CCM的差异

(1)轻载条件下,非同步BUCK电路仅支持DCM模式,同步BUCK电路既支持DCM模式也支持CCM模式

图 3.14 不同的BUCK电路能够支持的工作模式也不同

图 3.14所示,同时参考《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.1.7.3 CCM模式与DCM模式的“关键条件”是什么?”章节内容,对于确定的非同步或同步BUCK电路来说,重载条件( I_OUT>∆iL/2 )下,电路都工作在CCM模式(不存在DCM模式)”,也就不存在CCM与DCM的差异。

对于非同步BUCK电路来说,低边开关是续流二极管,不支持反向电流,所以无法实现轻载条件下的CCM模式,仅支持轻载条件( I_OUT<∆iL/2 )下的DCM模式,所以也就不存在CCM与DCM的差异。

对于同步BUCK电路来说,其低边MOSFET导通后,电流可以从源极流向漏极,也可以从漏极流向源极,也就是电流可以双向流过。所以,同步BUCK电路既支持轻载条件( I_OUT<∆iL/2 )下的DCM模式(低边MOSFET关断以阻止功率电感上的反向电流),也支持轻载条件( I_OUT<∆iL/2 )下的CCM模式(低边MOSFET导通以支持功率电感上的反向电流),这二者才具有可比性。

这里需要说明的是,同步BUCK电路轻载条件下的CCM模式需要控制器强制实现,因此这时的CCM确切地说是FCCM(Forced Continuous Conduction Mode)。

(2)同步BUCK电路轻载条件下,DCM模式的转换效率更高

参考《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.4.3.3 开关损耗(Switching Loss)”章节内容,在同步BUCK电路中,高边MOSFET和低边MOSFET上的开关损耗计算公式分别为

同时,因为DCM模式的开关频率比CCM模式更低,因此轻载条件下,DCM模式的开关损耗更小,对应的转换效率也就更高。

(3)同步BUCK电路轻载条件下,CCM模式的纹波电压更小

图 3.15所示,参考《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.2.4.5 输出纹波电压”章节内容,BUCK电路输出端纹波电压的工程计算公式为

由此可见,在同等的轻载及其他条件下,DCM模式由于开关频率更小,导致其纹波电压更大,而CCM模式由于开关频率更大,其纹波电压更小。

图 3.15 轻载条件下,CCM与DCM的纹波电压波形

(4)同步BUCK电路轻载条件下,CCM模式的动态响应更快

图 3.16所示,由于DCM模式的开关频率更小,对应的动态响应也会更慢,结果就是对应的动态峰峰值(Dynamic Peak-Peak Voltage)DVpp也会更大。相反,CCM模式的开关频率更大,动态响应更快,DVpp也就更小。

图 3.16 轻载条件下,CCM模式的动态响应更快,DVpp更小

4. 小结

此文,介绍了如下两点内容:

1) 什么是“重载条件”和“轻载条件”?满足“I_OUT>∆iL/2”条件的是“重载电流”,满足“I_OUT<∆iL/2”条件的是“轻载电流”。

2) 轻载条件下DCM和CCM的四点差异,具体见正文内容。

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