開(kāi)關(guān)電源中的CCM與DCM的區別

反激變換器常用于進(jìn)行AC/DC和DC/DC轉換的開(kāi)關(guān)模式電源，尤其是中低功率范圍（約2W至100W）的電源。在這個(gè)功率范圍內，反激變換器在尺寸、成本和效率比方面都極具競爭力。

反激變換器的工作基于耦合電感器，該電感器除了幫助實(shí)現功率轉換，還可以在變換器的輸入和輸出之間提供隔離功能。除此之外，它具有與其他開(kāi)關(guān)變換器拓撲相同的基本元素：兩個(gè)開(kāi)關(guān)（MOSFET和二極管）和一個(gè)輸出電容器。

反激變換器有兩個(gè)工作階段，即tON和tOFF，這兩個(gè)階段分別根據MOSFET的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)命名并控制。

在tON,期間，MOSFET導通，電流從輸入端流過(guò)原邊電感器，對耦合電感器進(jìn)行線(xiàn)性充電，并在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)（見(jiàn)圖1.b）。在副邊，整流二極管反向偏置，從而使變壓器與輸出端斷開(kāi)連接（見(jiàn)圖1.a）。

圖1：a）MOSFET和二極管中的電壓 b）原邊和副邊線(xiàn)圈中的電流

存儲在輸出電容器中的電荷負責保持負載上的電壓穩定（見(jiàn)圖2）。

圖2：反激變換器電流原理圖

在tOFF,期間，MOSFET斷開(kāi)，耦合電感器開(kāi)始通過(guò)二極管消磁（二極管現在已直接極化）。然后，電感電流會(huì )為輸出電容器充電并為負載供電。

反激變換器有兩種工作模式，采用何種方式取決于每個(gè)周期中電感電流的最小值。如果在電感完全放電之前MOSFET從tOFF切換到tON，則電感中的電流永遠不會(huì )為零，這種操作方式稱(chēng)為連續導通模式（CCM）。如果tOFF持續足夠長(cháng)的時(shí)間使原邊電感器能夠完全放電，則電感電流將在一段時(shí)間內為零，此時(shí)二極管和MOSFET都處于截止狀態(tài)，我們稱(chēng)為斷續導通模式（DCM）。

反激變換器的這兩種工作模式看起來(lái)非常相似，但實(shí)際上各有優(yōu)缺點(diǎn)。設計人員在設計過(guò)程中全面考慮這些優(yōu)缺點(diǎn)非常重要，因為其所選的工作模式會(huì )對電源變換器的效率、變壓器、調整率、EMI和成本都產(chǎn)生重大影響。圖3和圖4顯示了CCM和DCM之間的區別。

圖3: CCM模式下的電流和電壓波形

圖4: DCM模式下的電流和電壓波形

在DCM模式下，由于二極管上沒(méi)有反向恢復損耗且MOSFET為軟導通，其效率要高于CCM模式。但如果占空比太小，則為原邊電感充電的電流將非常高，這會(huì )降低變換器的整體效率。因此，必須為DCM選擇一個(gè)合適的占空比，以發(fā)揮其優(yōu)勢。

至于變壓器的尺寸，由于DCM模式需要的電感器較小，因此從理論上講，它可以使用較小的變壓器。但是，由于原邊和副邊電流的尖峰增加，因此變壓器線(xiàn)規也必須加大，這意味著(zhù)兩種模式下的變壓器大小是差不多相同的。盡管如此，DCM模式實(shí)際上確實(shí)允許使用更小的變壓器。由于DCM比CCM模式更有效，因此可以提高DCM模式下的開(kāi)關(guān)頻率，從而應用更小的變壓器。

至于系統調整率和穩定性，DCM模式中的反激拓撲比CCM模式中的反激拓撲更易補償。這是因為當變換器以CCM模式運行時(shí)，會(huì )出現不確定的右半平面零點(diǎn)（RHPZ），它會(huì )在較低頻率上引入不穩定性。DCM模式則將RHPZ推到了更高的頻率上，使環(huán)路更易補償，因此可以提供比CCM更快的瞬態(tài)響應。

此外，當占空比大于0.5時(shí)，CCM反激變換器可能會(huì )產(chǎn)生次諧波振蕩，這意味著(zhù)需要進(jìn)行斜率補償。

由于DCM模式會(huì )對電感器完全充電和放電，因此邏輯上其原邊電流紋波要比CCM模式下大很多。電流紋波將產(chǎn)生一個(gè)可變信號，由于原邊電流回路中不同組件類(lèi)似天線(xiàn)的行為，該信號隨后被傳播，并產(chǎn)生顯著(zhù)的電磁干擾（EMI）。

另一方面，DCM反激變換器還實(shí)現了零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），這減少了整流二極管的反向恢復，從而提高了能源效率。但這種軟開(kāi)關(guān)會(huì )影響效率并對EMI產(chǎn)生重大影響，因為它必須使用快速恢復二極管來(lái)減少能量損耗，但這會(huì )在副邊產(chǎn)生非常尖銳的電壓尖峰，引起振鈴，并可能導致高頻差模噪聲。為解決這個(gè)問(wèn)題，必須采用緩沖電路來(lái)減少這些尖峰并確保符合電磁兼容性（EMC）標準和法規。

本文介紹了連續導通模式（CCM）和斷續導通模式（DCM）之間的主要區別。表1匯總了這些差異，并概述了前文未提及的差異。

圖1: DCM 與 CCM