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DCDC变换器轻载时三种工作模式_模式_电压

萌界大人物 2024-11-28 05:01:13 0

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下面以降压型Buck变换器为例解释DCDC变换器轻载时的事情模式。
降压型Buck变换器在轻载有三种事情模式:突发模式、跳脉冲模式和强制连续模式。
下面将详细的阐述了这三种模式的事情作事理及其它们的优点及缺陷。
在实际的运用中,该当根据系统对输出纹波和效率的详细哀求来选取相应的事情模式。

1 跳脉冲模式

DCDC变换器轻载时三种工作模式_模式_电压 智能

对付恒定频率的常规的非同步Buck掌握器,常日电感的电流事情于CCM连续电流模式,电感的均匀电流即为输出的负载电流。
当负载电流降落时,电感的均匀电流也将降落;当负载电流降落时一定值,变换器进入临界电流模式。
此时,若负载电流进一步的降落,电感的电流回到0后,开关周期还没有结束,由于二极管的反向阻断浸染,电感的电流在0值处保持一段韶光,然后开关周期结束,进入下一个开在周期,此时变换器为完备的非连续电流模式。

变换器进入非连续电流模式后,若负载电流仍旧进一步的降落,为了坚持输出电压的调节,高真个开关管的开通韶光将减小,直到达到掌握器的最小导通韶光。
高真个开关管的开通韶光达到掌握器的最小导通韶光后,若负载电流仍旧的降落,掌握器就必须屏蔽掉即跳掉一些开关脉冲,以坚持输出电压的调节。
这种掌握方法即为跳脉冲模式。

同步的Buck变换器检测下管的电流,当下管的电流靠近于0时,系统就事情在非同步的办法,也便是下管不事情,依赖下管内部寄生的反并联二极管,供应续流回路。

图1:跳脉冲模式

跳脉冲模式可以在最宽的输入电流范围内供应恒定频率的不连续电流操作,防止反向电感器的电流。
由于掌握器许可调节器跳掉一些不须要的脉冲,比较于连续模式操作,提高轻载的效率,但其轻载的事情效率不如突发模式操作,其轻载的输出纹波不如连续模式操作。
跳脉冲模式的确供应了一种事情效率和噪声的折衷方案。

2 突发事情模式

Buck突发模式的事理图见图2所示。
VFB为输出电压反馈脚,VEA为电压偏差放大器,VREF为参考电压,突发事情模式比较器上限电压和下限电压为VH和VL,通过检测ITH管脚电压VC来检测输出负载的变革。

正常事情时,系统不会进入突发事情模式,突发事情模式比较器不事情,当输出负载降落时,输出电压将提高,VFB相应的也提高,由于VEA为负反馈,因此VC随之降落。
当输出负载降落到一定的值时,系统进入到轻载模式后,突发事情模式比较器开始事情,接管对ITH管脚电压VC的掌握,突发事情模式比较器的输出旗子暗记使掌握电路将高端MOSFET的输出驱动关断,高端MOSFET停滞开关操作,此时输入不再向输出端传输能量,输出的大电容将坚持低的输出负载,因此输出电压逐步的降落,VFB相应的也降落,VC随之提高。

输出电压连续的降落,VFB的电压相应的也连续的降落,VC随之连续提高。
经由一段长的韶光后,VC电压将增加到即是VH,突发事情模式比较器输出旗子暗记翻转,掌握电路使能高端MOSFET的驱动输出旗子暗记,高端MOSFET进入开关操作,系统进入正常的PWM操作,由于输入的能量大于输出负载所花费的能量,因此输出电压将随之提高。

当输出电压提高到一定值时,VC电压降落,VC电压降落到VL时L,突发事情模式比较器输出又一次的翻转,重新关断高端MOSFET的驱动旗子暗记,系统再一次停滞事情。
如此反复,这种事情模式即为突发事情模式。

突发模式比较器掌握高端开关监工作,高端开关监工作的韶光很短,停滞事情的韶光很长,极大的降落了开关损耗,在此期间,芯片内部的许多功能停滞事情,减小内部静态电流的花费,因此提高系统的效率。

另一方面由于高端开关管停滞事情的韶光很长,输出电容将坚持输出的负载的能量,输出电容的电压降落幅度较大,因此输出电容的纹波电压大,即输出的纹波电压大。
突发事情模式比较器的高下门限电压决定了输出电压纹波值。

图2:突发模式

这种模式和滞回电压模式有点类似,但不同的是,这种模式通过内部的检测确定输出负载的变革,从而决定系统是否进入轻载的突发模式。
在突发模式中,比较器输出旗子暗记翻转系统进入正常事情时,系统为正常的定频PWM事情,高端MOSFET进入正常的PWM事情,此时系统事情在连续PWM模式或断续与连续PWM并存的模式,能量很快的向输出传送,只要事情几个周期后便停滞事情。

3 强制连续模式

强制连续模式紧张针对付同步Buck变换器,在正常事情时,强制连续模式和跳脉冲模式一样都事情于CCM模式。
当输出负载降落并降落到一定的值时,如前所述,跳脉冲模式将由CCM进入DCM模式,在电感的电流为0时续流二极管将自然关断并坚持关断的状态直到进入下一个开在周期。

对付强制连续模式,在电感的电流为0,由于同步开关管仍旧导通,因此输出的电容电压将反向加在电感上从而对电感反向激磁,电感的电流将从0反向增加到一定值,然后同步管关断,主开关管导通,输入电压加在电感上,电感两端的电压为正电压,电感的电流将从一定负值正向增加,在过0后连续正向增加到一定值,这也是所谓的输出电流倒灌征象。

图3:强制连续模式

主开关管和同步开关管在每个开关周期都在事情,因此开关的功耗大,系统的效率极低。
低输出负载条件下,在每个开关周期,高真个主开关导通时,从输入端向输出负载传输的能量大于实际负载所须要的能量,因此必须依赖同步开关管的导通,使输出电压对电感反向激磁,从而将多余部分的能量储存在电感中,以坚持输出的调节。
这部分的能量只是在电感中来回的交流,并没有花费在实际的负载中。
由于电感有磁损耗(磁芯中的功率损耗)和铜损耗(导线电阻的损耗)能量,因此也进一步的降落的效率。
然而也正是由于主开关管和同步开关管在每个开关周期都在事情,纵然在轻负载的条件下,在每个开关周期,输入和输出的能量能够得到平移,因此输出电压的纹波也最小。

这种效率最低的操作模式适宜于一些特定的运用。
在该模式中,输出可以供电流也可以接管电流,因此可以运用于DDR存储器的供电。
其余,在一些通讯系统中,纵然是在轻负载的条件下仍旧须要低的输出电压纹波,因此也必须利用此种事情模式,而效率并不是紧张的考虑成分。
输出纹波电压和频率在全体负载变革范围内恒定,随意马虎滤除噪声,适宜于通讯等哀求滋扰噪声低的运用。
在逼迫连续模式操作中输出电流倒灌,然后处于开关管去世区韶光,电感的电流对输入电容充电,其电压提升,设计时要校核实际的输入电压最大值,使其小于干系元件的额定值。

4 三种模式的结果比较

设计输入电压为3.3V,输出电压为2.5V的同步Buck变换器,输出满负载电流为Io=1.25A,轻载电流Io=50mA,事情的频率为1MHz,电感值L=2.2uH,输出电容选取22uF陶瓷电容。

从图4可见,在50mA的轻载输出电流下,系统事情于跳脉冲模式时电感的电流为DCM模式,每个开关周期电感的电流过0并保持一段韶光后才进入下一个开关周期;系统事情于突发模式时,主开关管停滞开关操作的间歇韶光为9uS,然后再开关操作3uS,输出的电压纹波峰峰值高达20mV;系统事情于强制连续模式时,电感的电流过0后连续反向增加到-100mA,然后从-100mA正向增加,过0后连续正向增加到最大值。
输出的纹波很小,明显的,电感的环流将影响系统的效率。

(a)跳脉冲模式 (b)突发模式 (c)强制连续模式

图4:轻载三种事情模式波形

(Vin=3.3V, Vo=2.5V, Io=50mA)

从图5可以看到三种模式轻载时的效率和输出电压的纹波比较,在三种模式中,突发模式具有最高的轻载效率和最大的输出电压纹波,强制连续模式具有最低的轻载效率和最小的输出电压纹波,跳脉冲模式则介于二者之间。

(a)三种模式效率比较 (b)三种模式输出纹波比较

图5:轻载三种模式效率和输出纹波

参考文献:LTC3411数据表

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