开关电源的工作模式详解

从事过电源开发的工程师都接触过CCM、DCM、BCM这几个词汇，也能大致了解其含义，但是对于这几个概念的由来，和为什么要搞清楚这几个概念往往还是模糊的。

以图所示的Buck电路图为例，说明电源的工作模式。为了简单的说明电源的工作模式，用仿真软件模拟一个Buck电路用于展示几种工作模式的情况。

Buck电路图

图中，输入电压是12V，输入电容是33uF。控制脉冲的电压是12V，上升时间500ns，下降时间500ns，脉宽4us，周期10us。输出电感是3.3uH。输出电容是100uF。

（1）CCM、DCM、BCM的定义：

CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会达到0A。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不会到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。CCM模式电感电流波形如图所示。

图   CCM模式电感电流波形图

DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。DCM模式电感电流波形如图 所示。

图 DCM模式电感电流波形图

BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。BCM模式电感电流波形如图 所示。

图  BCM模式电感电流波形图

将三种模式下电感电流的波形放在一起对比，如图 所示。

图 三种工作模式的电感电流图

（3）三种工作模式的特点：

以图所示的非同步Buck电路为例，来说明三种工作模式的特点。

图  非同步Buck电路图

为了说明问题，我们只在仿真电路上修改了负载为2欧姆，增加I，使其更大，这样电感电流是基于I进行变化的，纹波电流与0A距离更远。非同步Buck电路仿真图如图 所示。

图 非同步Buck电路仿真图

图7.8中的输出电流为

开关点电压和电感电流实测波形如图7.9所示

图 开关点电压和电感电流实测波形图

开关点电压和电感电流仿真波形如图 所示

图中，紫色为IL电感电流，绿色为Vsw公共开关点电压

图 开关点电压和电感电流仿真波形图

非同步控制器的降压变换器Buck工作于CCM，会带来附加损耗。因为续流二极管反向恢复电荷需要时间来消耗，这对于功率开关管而言，是附加的损耗负担。

BCM是一种特殊的CCM，它的电感的电流最小值为0。此时我们把负载调为3.6Ω，这样让纹波电流压着0A，形成一个临界的状态。BCM模式仿真电路图如图所示。

图 BCM模式仿真电路图

BCM模式开关点电压和电感电流实测波形如图所示：

BCM模式开关点电压和电感电流实测波形图

BCM模式开关点电压和电感电流仿真波形如图所示。

图  BCM模式开关点电压和电感电流仿真波形图

以非同步BUCK的DCM模式为例。

如果把负载调小，也就是IL电源的输出电流变小了。相当于上面的纹波电流继续往下移动，穿过0A的坐标线。由于二极管的正向导通性，上管关闭。所以电感上的电流不会出现负数（我们设定输出方向为正方向）。此时就会出现电感上电流为0。DCM模式仿真电路图如图7.14所示。

图 1.27 DCM模式仿真电路图

DCM模式开关点电压和电感电流实测波形如图所示

图 1.28 DCM模式开关点电压和电感电流实测波形图

DCM模式开关点电压和电感电流仿真图如图7.16所示，黄色为电感电流，蓝色为Vsw电压

图 DCM模式开关点电压和电感电流仿真波形图

（4）CCM与DCM比较：

①DCM能降低功耗的，DCM模式的转换效率更高些；

②工作于DCM模式，在电感电流为0的时候，会产生振荡现象；

③工作于CCM模式，输出电压与负载电流无关，当工作于DCM模式，输出电压受负载影响，为了控制电压恒定，占空比必须随着负载电流的变化而变化。

审核编辑：汤梓红