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DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?

發(fā)布時間:2016-11-23 責任編輯:wenwei

【導讀】本次內(nèi)容介紹DCDC輕載工作模式技術(shù)文章分享給大家,特別是其中的突發(fā)模式作為凌特的專利,很長的一段時間曾讓很多想設計輕載高效的電源IC的公司為之頭痛,如今輕載高效已經(jīng)成為眾多電源IC的一個基本的要求,有些產(chǎn)品如AOZ3015,12V-5V/10mA的輕載效率已經(jīng)達到85%以上。
 
目前高頻高效的DCDC變換器的應用越來越廣泛。通常在滿輸出負載時,DCDC變換器工作于CCM即連續(xù)電流模式。但是,當系統(tǒng)的輸出負載從滿載到輕載然后到空載變化的過程中,系統(tǒng)的工作模式也會發(fā)生相應的改變。
 
下面以降壓型Buck變換器為例說明DCDC變換器輕載時的工作模式。降壓型Buck變換器在輕載有三種工作模式:突發(fā)模式、跳脈沖模式和強迫連續(xù)模式。下面將詳細的闡述了這三種模式的工作作原理及其它們的優(yōu)點及缺點。在實際的應用中,應該根據(jù)系統(tǒng)對輸出紋波和效率的具體要求來選取相應的工作模式。
 
1  跳脈沖模式
 
對于恒定頻率的常規(guī)的非同步Buck控制器,通常電感的電流工作于CCM連續(xù)電流模式,電感的平均電流即為輸出的負載電流。當負載電流降低時,電感的平均電流也將降低;當負載電流降低時一定值,變換器進入臨界電流模式。此時,若負載電流進一步的降低,電感的電流回到0后,開關(guān)周期還沒有結(jié)束,由于二極管的反向阻斷作用,電感的電流在0值處保持一段時間,然后開關(guān)周期結(jié)束,進入下一個開在周期,此時變換器為完全的非連續(xù)電流模式。
 
變換器進入非連續(xù)電流模式后,若負載電流仍然進一步的降低,為了維持輸出電壓的調(diào)節(jié),高端的開關(guān)管的開通時間將減小,直到達到控制器的最小導通時間。高端的開關(guān)管的開通時間達到控制器的最小導通時間后,若負載電流仍然的降低,控制器就必須屏蔽掉即跳掉一些開關(guān)脈沖,以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種控制方法即為跳脈沖模式。
 
同步的Buck變換器檢測下管的電流,當下管的電流接近于0時,系統(tǒng)就工作在非同步的方式,也就是下管不工作,依靠下管內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管,提供續(xù)流回路。

 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
圖1:跳脈沖模式
 
跳脈沖模式可以在最寬的輸入電流范圍內(nèi)提供恒定頻率的不連續(xù)電流操作,防止反向電感器的電流。由于控制器允許調(diào)節(jié)器跳掉一些不需要的脈沖,相比于連續(xù)模式操作,提高輕載的效率,但其輕載的工作效率不如突發(fā)模式操作,其輕載的輸出紋波不如連續(xù)模式操作。跳脈沖模式的確提供了一種工作效率和噪聲的折衷方案。
 
2  突發(fā)工作模式 
 
Buck突發(fā)模式的原理圖見圖2所示。VFB為輸出電壓反饋腳,VEA為電壓誤差放大器,VREF為參考電壓,突發(fā)工作模式比較器上限電壓和下限電壓為VH和VL,通過檢測ITH管腳電壓VC來檢測輸出負載的變化。
 
正常工作時,系統(tǒng)不會進入突發(fā)工作模式,突發(fā)工作模式比較器不工作,當輸出負載降低時,輸出電壓將提高,VFB相應的也提高,由于VEA為負反饋,因此VC隨之降低。當輸出負載降低到一定的值時,系統(tǒng)進入到輕載模式后,突發(fā)工作模式比較器開始工作,接管對ITH管腳電壓VC的控制,突發(fā)工作模式比較器的輸出信號使控制電路將高端MOSFET的輸出驅(qū)動關(guān)斷,高端MOSFET停止開關(guān)操作,此時輸入不再向輸出端傳輸能量,輸出的大電容將維持低的輸出負載,因此輸出電壓慢慢的降低,VFB相應的也降低,VC隨之提高。
 
輸出電壓繼續(xù)的降低,VFB的電壓相應的也繼續(xù)的降低,VC隨之繼續(xù)提高。經(jīng)過一段長的時間后,VC電壓將增加到等于VH,突發(fā)工作模式比較器輸出信號翻轉(zhuǎn),控制電路使能高端MOSFET的驅(qū)動輸出信號,高端MOSFET進入開關(guān)操作,系統(tǒng)進入正常的PWM操作,由于輸入的能量大于輸出負載所消耗的能量,因此輸出電壓將隨之提高。
 
當輸出電壓提高到一定值時,VC電壓降低,VC電壓降低到VL時L,突發(fā)工作模式比較器輸出又一次的翻轉(zhuǎn),重新關(guān)斷高端MOSFET的驅(qū)動信號,系統(tǒng)再一次停止工作。如此反復,這種工作模式即為突發(fā)工作模式。
 
突發(fā)模式比較器控制高端開關(guān)管工作,高端開關(guān)管工作的時間很短,停止工作的時間很長,極大的降低了開關(guān)損耗,在此期間,芯片內(nèi)部的許多功能停止工作,減小內(nèi)部靜態(tài)電流的消耗,因此提高系統(tǒng)的效率。
 
另一方面由于高端開關(guān)管停止工作的時間很長,輸出電容將維持輸出的負載的能量,輸出電容的電壓降低幅度較大,因此輸出電容的紋波電壓大,即輸出的紋波電壓大。突發(fā)工作模式比較器的上下門限電壓決定了輸出電壓紋波值。
 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
圖2:突發(fā)模式
 
這種模式和滯回電壓模式有點類似,但不同的是,這種模式通過內(nèi)部的檢測確定輸出負載的變化,從而決定系統(tǒng)是否進入輕載的突發(fā)模式。在突發(fā)模式中,比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進入正常工作時,系統(tǒng)為正常的定頻PWM工作,高端MOSFET進入正常的PWM工作,此時系統(tǒng)工作在連續(xù)PWM模式或斷續(xù)與連續(xù)PWM并存的模式,能量很快的向輸出傳送,只要工作幾個周期后便停止工作。
 
3  強迫連續(xù)模式
 
強迫連續(xù)模式主要針對于同步Buck變換器,在正常工作時,強迫連續(xù)模式和跳脈沖模式一樣都工作于CCM模式。當輸出負載降低并降低到一定的值時,如前所述,跳脈沖模式將由CCM進入DCM模式,在電感的電流為0時續(xù)流二極管將自然關(guān)斷并維持關(guān)斷的狀態(tài)直到進入下一個開在周期。
 
對于強迫連續(xù)模式,在電感的電流為0,由于同步開關(guān)管仍然導通,因此輸出的電容電壓將反向加在電感上從而對電感反向激磁,電感的電流將從0反向增加到一定值,然后同步管關(guān)斷,主開關(guān)管導通,輸入電壓加在電感上,電感兩端的電壓為正電壓,電感的電流將從一定負值正向增加,在過0后繼續(xù)正向增加到一定值,這也是所謂的輸出電流倒灌現(xiàn)象。
 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
圖3:強迫連續(xù)模式
 
主開關(guān)管和同步開關(guān)管在每個開關(guān)周期都在工作,因此開關(guān)的功耗大,系統(tǒng)的效率極低。低輸出負載條件下,在每個開關(guān)周期,高端的主開關(guān)導通時,從輸入端向輸出負載傳輸?shù)哪芰看笥趯嶋H負載所需要的能量,因此必須依靠同步開關(guān)管的導通,使輸出電壓對電感反向激磁,從而將多余部分的能量儲存在電感中,以維持輸出的調(diào)節(jié)。這部分的能量只是在電感中來回的交換,并沒有消耗在實際的負載中。由于電感有磁損耗(磁芯中的功率損耗)和銅損耗(導線電阻的損耗)能量,因此也進一步的降低的效率。然而也正是因為主開關(guān)管和同步開關(guān)管在每個開關(guān)周期都在工作,即使在輕負載的條件下,在每個開關(guān)周期,輸入和輸出的能量能夠得到平移,因此輸出電壓的紋波也最小。
 
這種效率最低的操作模式適合于一些特定的應用。在該模式中,輸出可以供電流也可以吸收電流,因此可以應用于DDR存儲器的供電。另外,在一些通訊系統(tǒng)中,即使是在輕負載的條件下仍然需要低的輸出電壓紋波,因此也必須使用此種工作模式,而效率并不是主要的考慮因素。輸出紋波電壓和頻率在整個負載變化范圍內(nèi)恒定,容易濾除噪聲,適合于通訊等要求干擾噪聲低的應用。在強制連續(xù)模式操作中輸出電流倒灌,然后處于開關(guān)管死區(qū)時間,電感的電流對輸入電容充電,其電壓提升,設計時要校核實際的輸入電壓最大值,使其小于相關(guān)元件的額定值。 
 
4  三種模式的結(jié)果比較
 
設計輸入電壓為3.3V,輸出電壓為2.5V的同步Buck變換器,輸出滿負載電流為Io=1.25A,輕載電流Io=50mA,工作的頻率為1MHz,電感值L=2.2uH,輸出電容選取22uF陶瓷電容。
 
從圖4可見,在50mA的輕載輸出電流下,系統(tǒng)工作于跳脈沖模式時電感的電流為DCM模式,每個開關(guān)周期電感的電流過0并保持一段時間后才進入下一個開關(guān)周期;系統(tǒng)工作于突發(fā)模式時,主開關(guān)管停止開關(guān)操作的間歇時間為9uS,然后再開關(guān)操作3uS,輸出的電壓紋波峰峰值高達20mV;系統(tǒng)工作于強迫連續(xù)模式時,電感的電流過0后繼續(xù)反向增加到-100mA,然后從-100mA正向增加,過0后繼續(xù)正向增加到最大值。輸出的紋波很小,明顯的,電感的環(huán)流將影響系統(tǒng)的效率。
 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
(a)跳脈沖模式 (b)突發(fā)模式 (c)強迫連續(xù)模式
 
圖4:輕載三種工作模式波形(Vin=3.3V, Vo=2.5V, Io=50mA)
 
從圖5可以看到三種模式輕載時的效率和輸出電壓的紋波比較,在三種模式中,突發(fā)模式具有最高的輕載效率和最大的輸出電壓紋波,強迫連續(xù)模式具有最低的輕載效率和最小的輸出電壓紋波,跳脈沖模式則介于二者之間。
 
DCDC變換器輕載時三種工作模式是什么?
(a)三種模式效率比較 (b)三種模式輸出紋波比較
 
圖5:輕載三種模式效率和輸出紋波
 
參考文獻:LTC3411數(shù)據(jù)表
 
 
 
 
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