反極性Buck-Boost的CCM模式和DCM模式

本文轉載自： 硬件十萬個為什么微信公眾號

反極性Buck-Boost 變換器主電路的元件由開關管，二極管，電感，電容等構成。輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck-Boost 變換器也有電感電流連續和斷續兩種工作方式。

反極性Buck-Boost也可以分為同步，和非同步兩種控制器。如圖所示，左圖為非同步控制器，是由開關管Q1、二極管D1、電感L組成拓撲；右圖為同步控制器，由Q2替代D1實現。

通過控制 Q1 與 Q2 的導通關斷時間，對儲能元件電感 L 與輸出電容 Cout進行 充放電，產生穩定的直流輸出電壓 Vout。其中 VIN為電源輸入電壓，Q1 為主開關功率管， 一般用 MOSFET，D1 為續流二極管，也可以用一個開關管Q2來代替。

工作過程一般包含充電階段和續流階段。詳細的工作原理為，當系統穩定時，若 Q1 導通，Q2關斷（或者D1反向截止）時，輸入電壓VIN給電感 L 充電，電流的方向為順時針，此時電能轉化為電感磁能，能量儲存于電感上，此時電感電流隨著Q1導通時間的增加而增大；電感儲能的同時，輸出電容 Cout與負載 RL構成回路，上一階段電容 Cout存儲的能量釋放給負載電阻 RL，提供所需的能量，電流方向為逆時針，輸出電壓為負值，輸出電壓的絕對值隨著充電階段的時間而下降，該過程稱為環路的充電階段。

若 Q1 關斷，Q2 導通（或者D1正向導通）時，此時電感電流在上一充電階段儲存的磁能，由電感 L，輸出電容 Cout，負載 RL和開關管Q2（或者二極管D1續流）構成的回路進行釋放，此時電感磁能轉化成電能，電感電流隨著Q2 導通時間的增加而減小，一部分用于 Cout充電，進行儲能，另一部分用于負載RL提供電流，由于電感上的電流不能突變的特性，所以電流方向為逆時針，輸出電壓也為負值，輸出電壓的絕對值隨著續流階段的時間而上升，該過程稱為續流階段。

根據 反極性Buck-boost 的工作原理可知，電感電流在充電階段是連續上升的，在續流階段是連續下降的，而根據電感電流在續流階段是否降為零，分為連續導通模式（CCM）與非連續導通模式（DCM）。

（1）連續導通模式（CCM）

連續導通模式是電感電流在續流階段不為零，而在大負載電流情況下易為 CCM 模式。其工作原理如圖所示。

由圖所示為，在每個周期內，當主開關管 Q1 導通，D1反向截止時，輸入電壓 VIN通過Q1 給電感充電，電感電流持續增大，此時 L的電壓值被拉高約為VIN（正值）。當開關管Q1 關斷，由于D1左側的電壓為VIN，右側為負值Vout，則D1為反向截止，電感電流給電容 Cout與負載 RL提供能量，電感電流在持續減小， 此時 L的電壓值Vout（負值）。所以 L的值與電感電流的值都是在周期性變換的，信號上電的波形圖如圖所示。

當工作在 CCM 模式下，每個周期內都有包含完整的充電階段和放電階段。ΔIL為電感電流紋波，Iavg電感電流平均值。

設一個完整周期的時間為 T，其中放電周期為 TON，充電周期為 TOFF。D 為電路中的占空比。由以上的原理分析可得表達式為：

（2）非連續導通模式（DCM）

當 Iout>0.5ΔI時，工作在 CCM 模式下，當Iout<0.5ΔI時,工作在DCM模式，當IO=0.5ΔIL時，工作在臨界模式。故當負載電流過小時，電路容易工作在 DCM 模式下。

工作在 DCM 模式下時，一個有三個狀態：充電階段、放電階段 和電感電流為零階段，這三階段在一個周期內的時間分別為 T1，T2，T3。充電階段的占空比為 D1，放電階段的占空比為 D2。在T3期間， Q1關斷 和 D1截止， 電感電流為零，負載由輸出濾波電容供電。

CCM 模式下，輸出電壓跟電路占空比與輸入電壓相關， 而 DCM 模式下，與輸入電壓，占空比，開關頻率，電感值，負載相關。相比于DCM， CCM 的輸出電壓值的影響因素更小。

審核編輯 黃宇