資料介紹
僅一個(gè)電池可能無法為復(fù)雜系統(tǒng)提供正常工作所需的所有電壓軌。汽車LED驅(qū)動(dòng)器、音頻放大器以及電信等應(yīng)用需要升壓轉(zhuǎn)換器將較低輸入電壓轉(zhuǎn)換為較高輸出電壓。要確定應(yīng)該將轉(zhuǎn)換器的工作模式設(shè)計(jì)成連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM)、非連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 還是二者的結(jié)合,這對于升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員來說可能不太明確。
升壓轉(zhuǎn)換器的形狀和尺寸多種多樣,所支持的電源等級和升壓比率非常廣泛。這些要求決定了升壓轉(zhuǎn)換器最適合在CCM下工作,還是在DCM下工作。在DCM下,電感器電流在 FET 導(dǎo)通時(shí)開始從零升高,并在下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期到來之前完全放電歸零。但在非同步 CCM 升壓情況下,無論電流是在升高、在下降,還是在將電感器儲(chǔ)存的能量釋放到輸出電容器和負(fù)載中,電感器電流始終大于零。
在CCM下,占空比對負(fù)載而言是恒定的,但會(huì)隨輸入電壓變化而變化。在大多數(shù)CCM設(shè)計(jì)中,當(dāng)?shù)陀谀骋蛔畹拓?fù)載時(shí),工作模式會(huì)轉(zhuǎn)換為DCM,因?yàn)殡姼衅麟娏髟谙乱粋€(gè)轉(zhuǎn)換周期到來之前最終會(huì)降低至零。
在大多數(shù)情況下,高功率升壓轉(zhuǎn)換器工作在CCM下,而低功率升壓則在DCM下完成。這是因?yàn)镃CM允許較低峰值電流流過整個(gè)電路,通常會(huì)帶來較低電路損耗。但可能在高電壓升壓轉(zhuǎn)換的輸出整流器中也有例外,例如在PFC中,反向恢復(fù)電流會(huì)導(dǎo)致更多損耗。這種損耗通常可采用高質(zhì)量(快速)整流器進(jìn)行處理。
如果在DCM下工作,會(huì)出現(xiàn)在CCM模式下兩倍的峰值電感器電流,但如果故意減小電感值,則該電流可能還會(huì)高很多。這些更高電流不僅可增大輸入輸出電容器中的均方根電流,而且還可增加 FET 中的開關(guān)損耗,因此需要更大(或更多)的組件來應(yīng)對附加應(yīng)力。單這一項(xiàng)不足通常就能掩蓋 DCM 在高功率下提供的其它優(yōu)勢。
盡管電感器均方根電流在 DCM 下更高,但其線阻通常會(huì)低很多,因此銅損耗往往與 CCM 相同或更低。不過,DCM 下的核心損耗在高功率等級下更大。有時(shí)候可能需要更大的核心來處理這些增加的損耗,這會(huì)使經(jīng)常讓人振奮的“更小電感器尺寸”優(yōu)勢黯然失色。DCM 能真正發(fā)揮優(yōu)勢的地方是較低功率等級,這里電容器和 FET 中增加的應(yīng)力不一定需要較大組件,采用較小電感器即可。
DCM的一個(gè)額外優(yōu)勢是在以高升壓比率工作時(shí)(此時(shí)CCM工作需要大量的導(dǎo)通時(shí)間),可通過減小電感值來縮短導(dǎo)通時(shí)間(伴有更高峰值電流)。這非常好,因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>控制器經(jīng)常會(huì)達(dá)到最大可控制導(dǎo)通時(shí)間(或最小關(guān)斷時(shí)間)限值,跳過脈沖。這樣,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)控制器的可工作范圍對導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行微調(diào)。此外,DCM 的控制環(huán)路表現(xiàn)要優(yōu)于CCM,因?yàn)闆]有右半平面零點(diǎn),其可轉(zhuǎn)換為優(yōu)異的瞬態(tài)性能。
有時(shí)候可通過減小電感值將RHPZ的影響降到最低,我們可將RHPZ推到影響較小的更高頻率位置。無論在輕負(fù)載、啟動(dòng)還是在瞬態(tài)條件下,所有CCM升壓都可在一定條件下以 DCM 模式工作。這完全可以接受,但應(yīng)該搞清楚出現(xiàn)這種情況時(shí)的條件。
圖 1 是電感方程式(方程 1)中反向升壓比率 (VIN/VOUT) 與占空比 (D×(1-D)2) 的比較圖。該項(xiàng)目與 CCM 升壓轉(zhuǎn)換器中所需的電感成正比。本圖中的峰值出現(xiàn)在 VIN/VOUT 比值為 2/3 時(shí)或升壓比率 (VOUT/VIN) 為 1.5 時(shí)。這可能是有些不太直觀的結(jié)果。它的意思是,在采用變化輸入電壓的設(shè)計(jì)中,電路必須在 VIN/VOUT 比率的一個(gè)區(qū)段間工作。如果該范圍非常廣泛而且該區(qū)段包含圖 1 中的峰值,那就應(yīng)該在 2/3 的 VIN/VOUT 比率位置計(jì)算電感。如果該區(qū)段不包含 2/3 點(diǎn),那它就應(yīng)該在其相對峰值比率處進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖 1.CCM 所需的最大電感出現(xiàn)在 VIN/VOUT = 2/3 時(shí)
升壓轉(zhuǎn)換器的形狀和尺寸多種多樣,所支持的電源等級和升壓比率非常廣泛。這些要求決定了升壓轉(zhuǎn)換器最適合在CCM下工作,還是在DCM下工作。在DCM下,電感器電流在 FET 導(dǎo)通時(shí)開始從零升高,并在下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期到來之前完全放電歸零。但在非同步 CCM 升壓情況下,無論電流是在升高、在下降,還是在將電感器儲(chǔ)存的能量釋放到輸出電容器和負(fù)載中,電感器電流始終大于零。
在CCM下,占空比對負(fù)載而言是恒定的,但會(huì)隨輸入電壓變化而變化。在大多數(shù)CCM設(shè)計(jì)中,當(dāng)?shù)陀谀骋蛔畹拓?fù)載時(shí),工作模式會(huì)轉(zhuǎn)換為DCM,因?yàn)殡姼衅麟娏髟谙乱粋€(gè)轉(zhuǎn)換周期到來之前最終會(huì)降低至零。
在大多數(shù)情況下,高功率升壓轉(zhuǎn)換器工作在CCM下,而低功率升壓則在DCM下完成。這是因?yàn)镃CM允許較低峰值電流流過整個(gè)電路,通常會(huì)帶來較低電路損耗。但可能在高電壓升壓轉(zhuǎn)換的輸出整流器中也有例外,例如在PFC中,反向恢復(fù)電流會(huì)導(dǎo)致更多損耗。這種損耗通常可采用高質(zhì)量(快速)整流器進(jìn)行處理。
如果在DCM下工作,會(huì)出現(xiàn)在CCM模式下兩倍的峰值電感器電流,但如果故意減小電感值,則該電流可能還會(huì)高很多。這些更高電流不僅可增大輸入輸出電容器中的均方根電流,而且還可增加 FET 中的開關(guān)損耗,因此需要更大(或更多)的組件來應(yīng)對附加應(yīng)力。單這一項(xiàng)不足通常就能掩蓋 DCM 在高功率下提供的其它優(yōu)勢。
盡管電感器均方根電流在 DCM 下更高,但其線阻通常會(huì)低很多,因此銅損耗往往與 CCM 相同或更低。不過,DCM 下的核心損耗在高功率等級下更大。有時(shí)候可能需要更大的核心來處理這些增加的損耗,這會(huì)使經(jīng)常讓人振奮的“更小電感器尺寸”優(yōu)勢黯然失色。DCM 能真正發(fā)揮優(yōu)勢的地方是較低功率等級,這里電容器和 FET 中增加的應(yīng)力不一定需要較大組件,采用較小電感器即可。
DCM的一個(gè)額外優(yōu)勢是在以高升壓比率工作時(shí)(此時(shí)CCM工作需要大量的導(dǎo)通時(shí)間),可通過減小電感值來縮短導(dǎo)通時(shí)間(伴有更高峰值電流)。這非常好,因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>控制器經(jīng)常會(huì)達(dá)到最大可控制導(dǎo)通時(shí)間(或最小關(guān)斷時(shí)間)限值,跳過脈沖。這樣,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)控制器的可工作范圍對導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行微調(diào)。此外,DCM 的控制環(huán)路表現(xiàn)要優(yōu)于CCM,因?yàn)闆]有右半平面零點(diǎn),其可轉(zhuǎn)換為優(yōu)異的瞬態(tài)性能。
有時(shí)候可通過減小電感值將RHPZ的影響降到最低,我們可將RHPZ推到影響較小的更高頻率位置。無論在輕負(fù)載、啟動(dòng)還是在瞬態(tài)條件下,所有CCM升壓都可在一定條件下以 DCM 模式工作。這完全可以接受,但應(yīng)該搞清楚出現(xiàn)這種情況時(shí)的條件。
圖 1 是電感方程式(方程 1)中反向升壓比率 (VIN/VOUT) 與占空比 (D×(1-D)2) 的比較圖。該項(xiàng)目與 CCM 升壓轉(zhuǎn)換器中所需的電感成正比。本圖中的峰值出現(xiàn)在 VIN/VOUT 比值為 2/3 時(shí)或升壓比率 (VOUT/VIN) 為 1.5 時(shí)。這可能是有些不太直觀的結(jié)果。它的意思是,在采用變化輸入電壓的設(shè)計(jì)中,電路必須在 VIN/VOUT 比率的一個(gè)區(qū)段間工作。如果該范圍非常廣泛而且該區(qū)段包含圖 1 中的峰值,那就應(yīng)該在 2/3 的 VIN/VOUT 比率位置計(jì)算電感。如果該區(qū)段不包含 2/3 點(diǎn),那它就應(yīng)該在其相對峰值比率處進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖 1.CCM 所需的最大電感出現(xiàn)在 VIN/VOUT = 2/3 時(shí)
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