反激开关电源CCM和DCM模式波形分析

CCM模式和DCM模式的定义?为什么比较少用BCM模式?

A：CCM (ContinuousConduction Mode)连续导通模式，即一个开关周期内，电感电流不会到0A。这些拓扑还可工作在BCM(Boundary Conduction Mode)临界导通模式和DCM(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式。

可见，不同模式的定义是通过电感电流是否连续或者是否到0来区分。下图可以更直观的区分不同模式下电感电流的波形示意图：(其中CCM模式和BCM模式的电感电流波形在同一坐标系下，CCM模式的IL_MIN≠0

由上图可见，BCM模式，是CCM模式和DCM模式的临界条件。在实际设计中，常常需要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。该设计会提高复杂度。BCM模式常用于中小功率下，对效率要求较高的产品中。因此在常见的设计中，通常仅考虑CCM模式和DCM模式。

如何区分CCM和DCM模式?

A：根据定义判断CCM和DCM模式：通过电感电流归零的状态，来辨别电路的工作状态。

什么时候适用于DCM模式?什么时候适用于CCM模式?

A：继续分析CCM、BCM、DCM的电感电流波形图，可以直观的看出，CCM模式下，Io>△IL/2，DCM模式下，Io<△IL/2。因此，可以从电感电流纹波出发，区分DCM模式和CCM模式适用的场景。

根据经验设计，对于反激而言，通常在系统输出功率较小(<30W)时，采用DCM模式;在输出功率较大(>30W)时，采用CCM模式。另外，CCM模式更适用于低输出电压且输出电流高的场合，而DCM适合于高输出电压且电流较低的场合。

开始的分析思路：在参数设计过程中，电感电流纹波，其中0.2-0.4为电感电流纹波系数

，IL为电感电流平均值。想到对于Buck电路而言，电感电流平均值IL=输出电流平均值Io;然后代入电感电流纹波和输出电流的比较公式中，发现仅适用于Buck电路仅适用于CCM模式。总感觉有问题。后面想到，原来这个电感电流本身就是在CCM模式下推导得出的。

CCM模式和DCM模式的特点总结?

先写结论，分析在后续的参数设计中详细说明。

DCM模式	CCM模式
原边感量较小，变压器可以设计的较小	原边感量较大，变压器较大
副边整流二极管可以零电流恢复，无反向恢复损耗，可以采用低成本二极管	副边二极管不能零电流恢复，需要采用快恢复二极管或肖特基二极管，同时还会有额外的损耗
交流纹波大，MOS管和器件内阻损耗大	交流纹波小，与DCM相比导通损耗小；
变压器的磁通摆幅较大，有较大的磁滞损耗。	变压器的磁通摆幅较小，磁滞损耗较小。
副边二极管电流断续，更换为MOS管后容易实现同步整流	不易实现同步整流
常用于<30W，或高压小电流场景	常用于>30W，或低压大电流场景
对于环路稳定性而言：①是一阶低频系统，即使在电压模式也很容易稳定。②在低频区没有右半平面零点，得到的穿越频率较高，也就是将环路带宽设计的较高。③电流模式下不会产生次谐波震荡；	对于环路稳定性而言：①存在右半平面零点，所以环路带宽不能设计的过高，同时在占空比大于50时，峰值电流控制模式下需要进行谐波补偿；②电源模式下，不容易稳定。

反激CCM模式和DCM模式工作波形分析？
将进行详细分析。

DCM和CCM模式波形分析

Vf次级反射到原边的电压，Vf=Vout*n，n为原副边匝比。
Lk为变压器原边漏感，Lm为变压器原边自感

波形分析	DCM模式	CCM模式
MOS管Vds波形	下一周期开通前，Vds会从Vin+Vf这个平台降下来发生阻尼震荡。	下一周期开通前，Vds一直维持在Vin+Vf的平台上。
MOS管Ids波形（原边电感波形）	三角波	矩形波
副边二极管Id波形	三角波	矩形波
Vds尖峰形成原因	尖峰A：在MOS管截止时刻，原边电感Lm为MOS管DS电容充电，同时，由于漏感的电流也是不能突变的，而漏感的电流变化也会产生感应电动势， 这个感应电动势因为无法被次级耦合嵌位，所以电压会冲得超过Vin+Vf。此后，漏感Lk与Cds发生LC谐振，由于变压器绕线线阻、器件内阻会对谐振能量进行损耗，谐振会慢慢变小。 尖峰B：在尖峰B产生之前，副边二极管导通，原边电压被钳位。尖峰B的产生是由于副边电感放电完毕，副边二极管截止，此时Cds电容反向给漏感Lk充电，再次形成LC谐振，导致阻尼振荡。	尖峰A：该尖峰与DCM模式的尖峰A产生的原因相同。

MOS管尖峰A的抑制方法：为了避免MOS管被这个尖峰电压击穿损坏，一般设计时会在初级侧加上一个RCD吸收缓冲电路，把漏感的能量先存储在电容上，然后在通过电阻消耗掉。一般需要抑制到尖峰电压小于MOS管漏源电压的80%以下，才算安全范围。同时要防止过吸收或欠吸收。(在后续的参数设计中，将详细介绍RCD吸收的设计过程)。

实际电路中，在MOS管开通时，存在Ids电流尖峰问题，如下图所示。该尖峰的产生原因：变压器存在匝间电容，在MOS管导通瞬间，匝间电容瞬间放电，导致存在电流尖峰。该尖峰会导致反激误关断，导致驱动大小波问题以及输出不正常现象。

一般在采样流过MOS管电流时，通常需要加入一个RC低通滤波，RC的截止频率需要远大于开关频率，同时，需要满足RC充电时间大于(3-5)*250ns，这样取RC最小的充电时间为1000ns，及截止频率要小于1Mhz。通常RC滤波的R：100Ω-1000Ω;C：100pf-1000pf。该RC滤波电路，在反激中也称消隐电路。

拓展：CCM模式切换到DCM模式?——对Buck电路而言。

前面提到：

CCM模式转化到DCM模式的方法就是就是要降低输出电流(负载电流)Io或者增大ΔI

CCM下电感电流纹波为：

Δ I L = V i n − V o L ∗ D ∗ T Delta I_L = frac{Vin-Vo}{L}*D*T

(1) 在其他条件不变的情况下，增大阻抗R，即减小负载。因为在输出电压Vout不变的情况下，R越大，Io越小;

(2) 在其他条件不变的情况下，减小电感L。因为ΔI与L是存在计算关系的，这个在之前电感公式推导的文章中有详细推导。L减小，可以增大ΔI，使ΔI>2Io。

(3) 在其他条件不变的情况下，增大开关周期T，即减小开关频率fs。也可以使得ΔI增大。