 转眼一周又过去了，计划表一骑绝尘，行动力却难望其项背。当真准备查资料继续做起来的时候，却发现看起来一个简单的电路诸如Buck，也是非常多的门道非常多的知识之前好似未曾涉足，以至于一时间竟然不知如何续笔。无论如何，还是浅浅再浅浅动一动手指和键盘吧，毕竟万丈高楼平地起，积累也总需时日。那么本周就更新写一下Buck电路的工作模式和控制模式吧。一、Buck电路的工作模式 这里我们提到的工作模式是指按照电感电流的连续性来讲的，即根据Buck电路周期性工作的电流是否是连续的我们可以将其工作的过程分为CCM、BCM和DCM三种模式。其中，CCM称为连续导通模式(Continuous Conduction Mode)，意思是开关周期内电感电流从不会降低到0，或者说电感从不“复位”；DCM为非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode)，意味着开关周期内电感电流会降低至0并维持一段时间，电感适当的“复位”；BCM称为临界导通模式(Boundary Conduction Mode)，电感电流一旦被检测到降为0输入侧MOS随即打开给电感充电，因此与DCM的区别为BCM工作模式下每个周期内电感电流只在起始和中止时刻为0。  图1 Buck电路的三种工作模式(CCM、BCM、DCM） i. CCM模式  图2 CCM模式下的波形 由于在一个周期内负载平均电流与电感电流的平均值相等。因此可以发现在CCM模式下，负载平均电流为：  BCM模式  图3 BCM模式下的波形 vii. 由于电感电流的最小值为0同时该模式是一个过渡模式，可以得到负载平均电流为：  DCM模式  图4 DCM模式下的波形 同样在一个周期内进行分析，负载平均电流为：  对于输入输出电压给定、主电路参数选定、开关频率和占空比固定的情况下，电感电流的纹波是不变的，因此负载电流的大小直接决定了Buck电路的工作模式。当重载即负载电流较大，大于电感电流纹波的一半时，电路工作在CCM模式；当负载电流等于电感纹波电流的一半时，电路工作在BCM模式；当轻载即负载电流较小，小于电感电流的一半时，电路工作在DCM模式。 同理，具体进行设计的时候根据负载拉电流的需求以及工作模式的需要，我们可以此为依据来选取电感感量的大小。具体定量关系如下图所示：  图5 Buck电路中的电感计算 二、Buck电路的控制模式 根据Buck电路控制环路的结构和控制的对象参数，目前主要有以下流行的模式：包括电压模式、电流模式、滞环控制模式、固定导通时间模式、自适应恒定导通时间模式等等。 § 电压模式(VM) 电压控制模式是最基本的控制模式，它只有一个电压反馈闭环，通过把输出电压反馈值和基准电压Vref作比较，从而输出方波信号的误差进而和三角波比较生成PWM信号用来控制上下管的导通和关断。这种控制方式的好处是控制结构简单，一定程度上能够避免电流的噪声干扰，提供稳定的调制输出；缺点是相位补偿电路复杂从而增加设计的难度。  图6 电压控制模式结构图  图7 电压模式控制与PWM波生成方式 电流模式(CM) 电流模式控制是在电压模式控制基础上衍生得到的一种改良的电压、电流双闭环控制模式，可细分为峰值电流模式控制、平均电流模式控制、滞环电流模式控制等。相比于电压控制模式，这里增加了对电感电流的采样和控制，即用电感电流代替原来的三角波作为输出电压误差信号的基准，二者相比较生成PWM信号输出给MOSFET。相比于电压模式，它的控制更复杂，同时对电流噪声敏感；但是相位补偿电路设计相比变得简单，同时这种控制模式下环路稳定性更高，负载响应比电压模式快。  图8 电流控制模式结构图 峰值电流模式是电流模式的一种，它的结构如下图所示  图9 峰值电流模式控制 固定导通时间模式(COT) 在讲固定导通时间控制之前，我们先来讲一下滞环控制的概念。滞环控制，也称为bang-bang控制。原理是，直接用输出电压与门限电压比。当输出电压低于一定值时，开关管导通，当高于一定值时，开关管关断。  图10 滞环控制示意 而固定导通时间控制模式是滞环控制的一种，原理是输出电压纹波谷值直接与参考电压进行对比，生成固定的导通时间脉冲来导通上管MOSFET。当导通时间脉冲到期后，上管MOSFET关断（且下管导通）。这种控制方式的特点是结构简单。  图11 固定导通时间模式控制 自适应导通时间控制(D-CAP) D-CAP控制也称为自适应导通时间控制。每个周期开始，高边mos导通，导通时间由Vin和Vout决定，保持开关频率相对恒定。当反馈电压低于参考电压时，高边mos继续保持导通，高边mos关掉后，低边mos导通，当电感电流为0时，低边mos关掉。  图12 自适应恒导通时间模式控制 在D-CAP的基础上，还有DCAP-2和DCAP-3两种改进的控制模式：其中DCAP-2是在D-CAP基础上增加了内部纹波补偿；而D-CAP3又是在D-CAP2的基础上增加了采样保持模块。 无缝转换进入节能模式(DCS-control) DCS-control名为无缝转换进入节能模式，本质是一种滞环控制，融合了电压控制。有两个输入引脚VOS和VFB,VFB电压反馈引脚用来跟参考值进行比较，VOS用来直接检测输出电压。  图13 DCS控制模式 对于高侧mos控制：VOS经过专有电路产生锯齿波，与FB经过误差放大器的输出比较，输出控制脉冲，而计时器控制脉冲的最小导通时间，最小导通时间由Vout,Vin的比率决定。 对于低侧mos控制：在高侧MOSFET关闭以后，低侧MOSFET开启，当电感电流衰减至零，或者比较器让高侧MOSFET再次开启时，低侧MOSFET关闭。施加相应的死时间，以避免MOSFET出现击穿电流。 三、小结 本次主要梳理了Buck电路的工作模式和控制模式，分别对应主电路电感的工作状态和控制回路的控制方法。每一个小点展开挖掘都有很深的值得探究的地方，不一而足。小编这里仅仅是先搭一搭、理一理框架和结构，后续如果有机会还会展开具体分析求索，希望能够和广大电气学子和同行们一起进步！ |
