CCM与DCM的区别

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简介

反激变换器常用于进行AC/DC和DC/DC转换的开关模式电源,尤其是中低功率范围(约2W至100W)的电源。在这个功率范围内,反激变换器在尺寸、成本和效率比方面都极具竞争力。

反激变换器的工作基于耦合电感器,该电感器除了帮助实现功率转换,还可以在变换器的输入和输出之间提供隔离功能。除此之外,它具有与其他开关变换器拓扑相同的基本元素:两个开关(MOSFET和二极管)和一个输出电容器。

反激变换器有两个工作阶段,即tON和tOFF,这两个阶段分别根据MOSFET的开关状态来命名并控制。

在tON,期间,MOSFET导通,电流从输入端流过原边电感器,对耦合电感器进行线性充电,并在其周围产生磁场(见图1.b)。在副边,整流二极管反向偏置,从而使变压器与输出端断开连接(见图1.a)。

图1:a)MOSFET和二极管中的电压 b)原边和副边线圈中的电流

存储在输出电容器中的电荷负责保持负载上的电压稳定(见图2)。

图2:反激变换器电流原理图

在tOFF,期间,MOSFET断开,耦合电感器开始通过二极管消磁(二极管现在已直接极化)。然后,电感电流会为输出电容器充电并为负载供电。

反激变换器有两种工作模式,采用何种方式取决于每个周期中电感电流的最小值。如果在电感完全放电之前MOSFET从tOFF切换到tON,则电感中的电流永远不会为零,这种操作方式称为连续导通模式(CCM)。如果tOFF持续足够长的时间使原边电感器能够完全放电,则电感电流将在一段时间内为零,此时二极管和MOSFET都处于截止状态,我们称为断续导通模式(DCM)。

CCM vs. DCM

反激变换器的这两种工作模式看起来非常相似,但实际上各有优缺点。设计人员在设计过程中全面考虑这些优缺点非常重要,因为其所选的工作模式会对电源变换器的效率、变压器、调整率、EMI和成本都产生重大影响。图3和图4显示了CCM和DCM之间的区别。

图3: CCM模式下的电流和电压波形

图4: DCM模式下的电流和电压波形

效率

在DCM模式下,由于二极管上没有反向恢复损耗且MOSFET为软导通,其效率要高于CCM模式。但如果占空比太小,则为原边电感充电的电流将非常高,这会降低变换器的整体效率。因此,必须为DCM选择一个合适的占空比,以发挥其优势。

变压器

至于变压器的尺寸,由于DCM模式需要的电感器较小,因此从理论上讲,它可以使用较小的变压器。但是,由于原边和副边电流的尖峰增加,因此变压器线规也必须加大,这意味着两种模式下的变压器大小是差不多相同的。尽管如此,DCM模式实际上确实允许使用更小的变压器。由于DCM比CCM模式更有效,因此可以提高DCM模式下的开关频率,从而应用更小的变压器。

调整率

至于系统调整率和稳定性,DCM模式中的反激拓扑比CCM模式中的反激拓扑更易补偿。这是因为当变换器以CCM模式运行时,会出现不确定的右半平面零点(RHPZ),它会在较低频率上引入不稳定性。DCM模式则将RHPZ推到了更高的频率上,使环路更易补偿,因此可以提供比CCM更快的瞬态响应。

此外,当占空比大于0.5时,CCM反激变换器可能会产生次谐波振荡,这意味着需要进行斜率补偿。

EMI

由于DCM模式会对电感器完全充电和放电,因此逻辑上其原边电流纹波要比CCM模式下大很多。电流纹波将产生一个可变信号,由于原边电流回路中不同组件类似天线的行为,该信号随后被传播,并产生显著的电磁干扰(EMI)。

另一方面,DCM反激变换器还实现了零电流开关(ZCS),这减少了整流二极管的反向恢复,从而提高了能源效率。但这种软开关会影响效率并对EMI产生重大影响,因为它必须使用快速恢复二极管来减少能量损耗,但这会在副边产生非常尖锐的电压尖峰,引起振铃,并可能导致高频差模噪声。为解决这个问题,必须采用缓冲电路来减少这些尖峰并确保符合电磁兼容性(EMC)标准和法规。

总结

本文介绍了连续导通模式(CCM)和断续导通模式(DCM)之间的主要区别。表1汇总了这些差异,并概述了前文未提及的差异。

变量 DCM CCM
效率 较高 较低
MOSFET VDS_MAX 相同
MOSFET ID_MAX (IP_MAX) 较高 较低
整流二极管反向电压峰值 (VD_PK) Same
整流二极管电流峰值 ID1_PK  (IS_PK) 较高 较低
RMS 电流和纹波 较高 较低
变压器尺寸 较小 较大
EMI 较高, 要求较大的电容和滤波器 较低,较小的电容和滤波器
交叉调整率 较高变化 较低变化
瞬态响应 较快 较慢
稳定性
  • 一阶系统
  • 稳定性更强
  • 简单的传递函数
  • 系统正确稳定的难度增加
  • RHPZ会产生不利影响
  • 在高占空比(> 50%)下工作时,会出现次谐波振荡,需要进行斜率补偿


图1: DCM 与 CCM

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