CCM与DCM的区别

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简介

反激变换器常用于进行AC/DC和DC/DC转换的开关模式电源，尤其是中低功率范围（约2W至100W）的电源。在这个功率范围内，反激变换器在尺寸、成本和效率比方面都极具竞争力。

反激变换器的工作基于耦合电感器，该电感器除了帮助实现功率转换，还可以在变换器的输入和输出之间提供隔离功能。除此之外，它具有与其他开关变换器拓扑相同的基本元素：两个开关（MOSFET和二极管）和一个输出电容器。

反激变换器有两个工作阶段，即tON和tOFF，这两个阶段分别根据MOSFET的开关状态来命名并控制。

在t_ON,期间，MOSFET导通，电流从输入端流过原边电感器，对耦合电感器进行线性充电，并在其周围产生磁场（见图1.b）。在副边，整流二极管反向偏置，从而使变压器与输出端断开连接（见图1.a）。

图1：a）MOSFET和二极管中的电压 b）原边和副边线圈中的电流

存储在输出电容器中的电荷负责保持负载上的电压稳定（见图2）。

图2：反激变换器电流原理图

在t_OFF,期间，MOSFET断开，耦合电感器开始通过二极管消磁（二极管现在已直接极化）。然后，电感电流会为输出电容器充电并为负载供电。

反激变换器有两种工作模式，采用何种方式取决于每个周期中电感电流的最小值。如果在电感完全放电之前MOSFET从t_OFF切换到t_ON，则电感中的电流永远不会为零，这种操作方式称为连续导通模式（CCM）。如果tOFF持续足够长的时间使原边电感器能够完全放电，则电感电流将在一段时间内为零，此时二极管和MOSFET都处于截止状态，我们称为断续导通模式（DCM）。

CCM vs. DCM

反激变换器的这两种工作模式看起来非常相似，但实际上各有优缺点。设计人员在设计过程中全面考虑这些优缺点非常重要，因为其所选的工作模式会对电源变换器的效率、变压器、调整率、EMI和成本都产生重大影响。图3和图4显示了CCM和DCM之间的区别。

图3: CCM模式下的电流和电压波形

图4: DCM模式下的电流和电压波形

效率

在DCM模式下，由于二极管上没有反向恢复损耗且MOSFET为软导通，其效率要高于CCM模式。但如果占空比太小，则为原边电感充电的电流将非常高，这会降低变换器的整体效率。因此，必须为DCM选择一个合适的占空比，以发挥其优势。

变压器

至于变压器的尺寸，由于DCM模式需要的电感器较小，因此从理论上讲，它可以使用较小的变压器。但是，由于原边和副边电流的尖峰增加，因此变压器线规也必须加大，这意味着两种模式下的变压器大小是差不多相同的。尽管如此，DCM模式实际上确实允许使用更小的变压器。由于DCM比CCM模式更有效，因此可以提高DCM模式下的开关频率，从而应用更小的变压器。

调整率

至于系统调整率和稳定性，DCM模式中的反激拓扑比CCM模式中的反激拓扑更易补偿。这是因为当变换器以CCM模式运行时，会出现不确定的右半平面零点（RHPZ），它会在较低频率上引入不稳定性。DCM模式则将RHPZ推到了更高的频率上，使环路更易补偿，因此可以提供比CCM更快的瞬态响应。

此外，当占空比大于0.5时，CCM反激变换器可能会产生次谐波振荡，这意味着需要进行斜率补偿。

EMI

由于DCM模式会对电感器完全充电和放电，因此逻辑上其原边电流纹波要比CCM模式下大很多。电流纹波将产生一个可变信号，由于原边电流回路中不同组件类似天线的行为，该信号随后被传播，并产生显著的电磁干扰（EMI）。

另一方面，DCM反激变换器还实现了零电流开关（ZCS），这减少了整流二极管的反向恢复，从而提高了能源效率。但这种软开关会影响效率并对EMI产生重大影响，因为它必须使用快速恢复二极管来减少能量损耗，但这会在副边产生非常尖锐的电压尖峰，引起振铃，并可能导致高频差模噪声。为解决这个问题，必须采用缓冲电路来减少这些尖峰并确保符合电磁兼容性（EMC）标准和法规。

总结

本文介绍了连续导通模式（CCM）和断续导通模式（DCM）之间的主要区别。表1汇总了这些差异，并概述了前文未提及的差异。

变量	DCM	CCM
效率	较高	较低
MOSFET V_{DS_MAX}	相同
MOSFET I_{D_MAX} (I_{P_MAX})	较高	较低
整流二极管反向电压峰值 (V_{D_PK})	相同
整流二极管电流峰值 I_{D1_PK} (I_{S_PK})	较高	较低
RMS 电流和纹波	较高	较低
变压器尺寸	较小	较大
EMI	较高, 要求较大的电容和滤波器	较低，较小的电容和滤波器
交叉调整率	较高变化	较低变化
瞬态响应	较快	较慢
稳定性	一阶系统稳定性更强简单的传递函数	系统正确稳定的难度增加 RHPZ会产生不利影响在高占空比（> 50％）下工作时，会出现次谐波振荡，需要进行斜率补偿