優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器效率：采用自適應(yīng)工作模式策略

電力電子設(shè)備中使用的降壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于有效調(diào)節(jié)和控制輸出電壓(使其低于輸入電壓)至關(guān)重要(圖 1)。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在電源效率和空間限制至關(guān)重要的應(yīng)用中使用降壓轉(zhuǎn)換器，例如：

便攜式電子設(shè)備。降壓轉(zhuǎn)換器可在智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高效電源管理，從而延長(zhǎng)電池壽命并減少熱量產(chǎn)生。

DC-DC 電源。降壓轉(zhuǎn)換器為工業(yè)和汽車應(yīng)用中的各種子系統(tǒng)和組件提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源。

電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)模塊 (VRM) 使用降壓轉(zhuǎn)換器為微處理器和其他敏感電子元件提供且穩(wěn)定的電壓。

圖 1.降壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流。圖片由維基百科/知識(shí)共享許可提供

了解連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式

連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和間斷導(dǎo)通模式 (DCM) 之間的關(guān)鍵選擇是現(xiàn)代降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)的。了解每種模式的特征和含義對(duì)于設(shè)計(jì)高效可靠的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

連續(xù)導(dǎo)通模式

在 CCM 中，電感器電流連續(xù)流動(dòng)，在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到零。對(duì)于在大負(fù)載下需要穩(wěn)定、穩(wěn)定的輸出電壓和更高效率的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員更喜歡這種模式。CCM 具有以下優(yōu)點(diǎn)：

減少輸出電壓紋波。 CCM 中的連續(xù)電感器電流可產(chǎn)生比 DCM 更低的輸出電壓紋波，這有利于噪聲敏感應(yīng)用。

重負(fù)載時(shí)效率更高。 由于連續(xù)功率傳輸和峰值電流降低，CCM 在重負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了更高的效率。

簡(jiǎn)化控制。 CCM 允許更簡(jiǎn)單的控制方案，例如電壓或電流模式控制，更容易實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

要實(shí)現(xiàn) CCM 性能，需要仔細(xì)考慮電感器尺寸、開(kāi)關(guān)頻率和控制環(huán)路穩(wěn)定性(圖 2)。設(shè)計(jì)人員必須確保電感值足以維持連續(xù)電流，并對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償以避免不穩(wěn)定。

圖 2.在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的理想降壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流。

不連續(xù)導(dǎo)通模式

相比之下，在 DCM 中，電感器電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的一部分時(shí)間內(nèi)降至零(圖 3)。該模式在負(fù)載變化較大或負(fù)載較輕的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，可在這些條件下提供更高的效率。DCM具有以下優(yōu)點(diǎn)：

提高輕載效率。 在 DCM 中，電感器電流達(dá)到零，從而降低開(kāi)關(guān)損耗并提高輕負(fù)載時(shí)的效率。

固有的穩(wěn)定性。 DCM 具有固有的自穩(wěn)定特性，因?yàn)槊總€(gè)開(kāi)關(guān)周期中的電感電流都從零開(kāi)始，從而簡(jiǎn)化了控制環(huán)路設(shè)計(jì)并增強(qiáng)了穩(wěn)定性。

減少反向恢復(fù)損耗。 當(dāng)電感器電流在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之前達(dá)到零時(shí)，DCM 可限度地減少二極管或同步整流器中的反向恢復(fù)損耗。

同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須注意 DCM 的潛在缺點(diǎn)，例如增加的輸出電壓紋波和更高的峰值電流，這可能會(huì)影響輸出電容器的選擇和整體系統(tǒng)性能。

圖 3.在不連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的理想降壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流。

自適應(yīng)模式切換

自適應(yīng)模式開(kāi)關(guān)代表了一種提高降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)效率和性能的變革性方法。自適應(yīng)模式開(kāi)關(guān)使降壓轉(zhuǎn)換器能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)負(fù)載條件并在 CCM 和 DCM 之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，從而在各種負(fù)載下優(yōu)化效率。

自適應(yīng)模式開(kāi)關(guān)背后的基本原理是在重負(fù)載條件下以 CCM 模式運(yùn)行降壓轉(zhuǎn)換器，利用其降低輸出電壓紋波和提高效率的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)負(fù)載減少并進(jìn)入輕負(fù)載區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)智能地切換到 DCM，從而受益于改進(jìn)的輕負(fù)載效率和固有穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模式切換需要先進(jìn)的控制算法來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)負(fù)載變化并就模式轉(zhuǎn)換做出明智的決策。這些算法通常涉及監(jiān)視電感器電流或輸出電壓紋波以確定適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ健＿t滯控制、負(fù)載電流感測(cè)和過(guò)零檢測(cè)通常用于實(shí)現(xiàn)實(shí)用的自適應(yīng)模式切換。

實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模式切換的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是確保模式之間的平滑轉(zhuǎn)換。突然的模式變化可能會(huì)引入瞬態(tài)干擾，導(dǎo)致輸出電壓偏差或不穩(wěn)定。為了緩解這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，以在 CCM 和 DCM 之間提供漸進(jìn)且受控的過(guò)渡。軟啟動(dòng)、限流和自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)有助于促進(jìn)平滑的模式轉(zhuǎn)換。

自適應(yīng)模式切換可提供顯著的效率和性能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)根據(jù)負(fù)載條件優(yōu)化工作模式，降壓轉(zhuǎn)換器可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的整體效率。這意味著便攜式設(shè)備的功耗降低、熱管理得到改善并電池壽命延長(zhǎng)。此外，自適應(yīng)模式切換增強(qiáng)了轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使其能夠快速適應(yīng)突然的負(fù)載變化，同時(shí)保持穩(wěn)定的輸出電壓調(diào)節(jié)。

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