电容或电感的电压_电源系列之BUCK电源电感的工作模式

Buck如图1所示，电压和电流极性如图2所示。Buck电源工作原理如下：1.开关管理SW开启时，二极管D反向偏置，二极管电流ID=输入电压通过电感加载RL电源、电感和电容储能、电感电流IL如图1所示，蓝色环路逐渐增大；2.开关管SW开关管电流关闭时IT=0.由于自身的自感电势，电感继续通过二极管D续流负载RL供电，电感电流IL如图1所示，红色环路逐渐减小。在工作过程中，开关管的频率很高(通常是几十KHz到MHz量级)不断重复开关。

根据能量守恒，在稳态条件下，开关周期中电感两端电压的平均值为0，即伏秒平衡原理。根据开关周期中电感电流是否连续，有三种工作模式CCM连续电流模式，BCM临界电流模式和DCM如图3所示，不连续电流模式。

1.CCM连续电流模式

根据伏秒平衡原理，CCM在稳态下，模式开启周期D*T内部，电感电压为（Vin-Vout）；关断周期（1-D）*T内部，电感电压为Vout，前后乘积相等，即：

（Vin-Vout）DT=Vout（1-D）T，

其中，D为占空比，T开关周期，Vin输入电压，Vout可获得输出电压：

Vout/Vin=D。

由此可见CCM传输函数在模式下等于占空比，与负载电流无关。

CCM如图4所示，电感电流不会为0。在开关管SW导通过程中，开关管的电流IT从不为0的值开始上升，直到SW最大值在关闭时达到。根据公式U=L*dI/dt是的，电流变化率dI/dt=U/L，因此SW导通过程中的电流变化率为（Vin-Vout）/L，二极管电流在此期间ID为0；开关管SW二极管电流二极管电流ID直到SW重新导通时达到最小值，同样，电流变化率为Vout/L，在此期间，开关管电流为0。开关管电流在整个开关导通和关闭周期内IT和二极管电流ID组合是电感的电流IL。

在开关管SW导通期间，SW点的电压等于输入电压Vin；在开关管SW关闭期为0(忽略二极管和开关管的压降)。开关管SW在导通过程中，电感左端为输入电压Vin，输出电压为电感右端Vout，所以电感两端的电压是（Vin-Vout）；在开关管SW关闭左端电压为0，右端输出电压为0Vout，两端电压为（-Vout）。

SW当开关管关闭和断开时，引脚的电压波形有一个很大的尖峰，相应的电流波形也会有类似的情况。最近设计的12V转5V的Buck以电路为例，测量SW引脚电压波形，如图5所示，波形尖峰相对较小，设计良好。对于图中红圈的尖峰，发现基本没有振荡，如图6和图7所示。但是对于一些使用外部高低侧的人来说，MOS管的BUCK由于二极管或同步，电路、电压峰会非常大，峰会伴随着明显的振荡MOS管道的寄生电容器，以及电路的寄生电感，寄生电感不能瞬态电流给电容器充电，导致电压峰值和电流峰值振荡。LC谐振造成的。因此，二极管或同步管的两端通常并联RC吸收电路来解决这个问题。TI的LM25116芯片建议的RC吸收电路的电阻值为5~50R之间，取几个电容nf级别。

2.DCM不连续电流模式

随着负载电流的下降，电感将进入DCM此时，传输函数、电流和电压波形将发生很大变化，该模式下的输出电流纹波也将发生很大变化CCM大模式。因此，为了保持电感CCM在模式下，需要最小负载电流值。

在稳态下，根据伏秒平衡原理有：

（Vin-Vout）D1T=VoutD2T，得：

Vout/Vin=D1/(D1 D2)。

开关管导通，二极管截止时间长度为D1T；开关管截止时，二极管导通的时间长度为D2T；开关管和二极管的截止时间长度为(1)-D1-D2）*T，D与电路参数有关。DCM模式下的波形如图8所示。从图中可以看出，电感电流在负载电流由电容器提供。

从图中可以找到电感电压振荡现象，振荡时间与电阻尼有关。以下是原因分析。从电感电流波形可以看出，当电流下降到0时，电感左端开路。理论上，当电感没有电流通过时，电感左右两端的电压应相等，即电感左端的电压也应相等Vout。但实际上由于续流二极管两端存在寄生电容，还有电阻的存在，因此相当于和恒压源Vout一起形成了RLC串联阻尼谐振。为何CCM由于电感电流不会，因为电感电流不会下降到0，并保持固定的电流方向LC谐振时，充放电电流向需要反复变化，不能满足，不会发生LC谐振；从另一个角度来看，本质原因是当电流连续时，电流通过二极管本身，短路不能参与二极管两端的电容LC振荡。因此，理论同步BUCK这种现象不应该发生，因为二极管被取代了MOS管，MOS管道可反向导通，电容器也短路，这是强制续流模式。实际测试到LV2843芯片的DCM模式下SW点的电压波形如图9所示，由于电感小，电路振荡强烈。随着电感值的增加，振荡波形的时间长度可以相应降低。负载电流越小，电感越小，越容易进入DCM工作模式。

虽然Buck电路在DCM输出电压在模式下保持恒定，但电路状态和CCM但是模式不同CCM输出电压在模式下Vout=Vin*D，与负载电流无关，即使负载发生变化，空比也不会改变。DCM如图10所示，可以根据小信号模型获得传输函数，R负载。根据这个公式，随着负载电流的减小，开关管的占空比D将减小。

我们不需要记住这个公式，只需要帮助我们更好地理解它DCM电路工作状态在模式下。

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