第一部分:從DC-DC開(kāi)關(guān)電源中電感電流的形成到電感導(dǎo)通模式的認(rèn)識(shí)

1、施加直流電壓下的電感電流

在保證電感不被飽和的情況下，給電感施加恒定直流電壓，電感電流會(huì)呈線性增長(zhǎng)，也就是標(biāo)準(zhǔn)的一次函數(shù)

常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源是方波施加在電感兩端，也就是電壓穩(wěn)態(tài)為恒定的直流電壓，下面式子中u表示施加在電感兩端的電壓電壓“u”，L表達(dá)的是電感量，這里我們認(rèn)為電感量為一個(gè)恒定值，所以“u/L”是個(gè)常量，勵(lì)磁時(shí)間或開(kāi)通時(shí)間（開(kāi)通，電源里一般都是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通進(jìn)行勵(lì)磁，所以這個(gè)時(shí)間也叫作開(kāi)通時(shí)間）“TON”，式子中“u/L”這個(gè)常量表示斜率， 開(kāi)通時(shí)間是一個(gè)過(guò)程量，在開(kāi)通過(guò)程中，電感電流呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，最終增長(zhǎng)量為△I。

電感電流的增量關(guān)系是數(shù)學(xué)中的最簡(jiǎn)單函數(shù)：一次函數(shù)

同樣在電感去磁時(shí)，只要滿足施加恒定直流電壓，那么，電流是按照線性減小的，同樣電感電流和關(guān)斷時(shí)間也是一次函數(shù)關(guān)系，只不過(guò)去磁電壓和勵(lì)磁電壓方向相反，斜率為負(fù)，電流減小，穩(wěn)定情況下，增加量=減小量，下面我們?cè)僬J(rèn)識(shí)一下電感的非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。

2、電感的非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)

相對(duì)過(guò)渡狀態(tài)或者不穩(wěn)定狀態(tài)，若在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)或開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)，電感電流不能回到初始狀態(tài)，那么這個(gè)工作是不穩(wěn)定的，因?yàn)槎嘤嗟哪芰繒?huì)不斷累積，不受控的累積結(jié)果是電感的飽和。

如下圖，關(guān)斷沒(méi)有釋放的能量，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，會(huì)接著累積，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)目刂剖侄?，累積的最終結(jié)果就是電感飽和，電流不斷攀升，失去電感的作用； 所以最終的穩(wěn)定狀態(tài)是起點(diǎn)（開(kāi)通累積點(diǎn)）在哪里，回落的終點(diǎn)（關(guān)斷釋放點(diǎn)）就在哪里，也就是出入要平衡，對(duì)電感來(lái)說(shuō)就是伏秒積要平衡，穩(wěn)態(tài)下，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的狀態(tài)就是一個(gè)不斷復(fù)制或“克隆”前面周期狀態(tài)的過(guò)程。

電感的伏秒積，間接代表的就是磁密增量△B，伏秒積平衡也就是讓磁密增量△B在一個(gè)周期內(nèi)保持為零，以便讓磁芯介質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

伏秒積，“伏”代表電壓，“秒”代表時(shí)間，二者的乘積就成為“伏秒積”。 是電感在電路中工作的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，也是我們?cè)O(shè)計(jì)電感的基礎(chǔ)條件之一，接著我們看電感的穩(wěn)定狀態(tài)模式。

3、電感相關(guān)的幾種穩(wěn)態(tài)工作模式

以下三種模式（BCM、DCM和CCM）都是功率變換器或開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定工作狀態(tài)，也就是滿足“出入平衡”。

以下，S1=S2代表伏秒積，在坐標(biāo)軸上的表示就是圖形的面積，是電壓對(duì)時(shí)間的沖擊量。

（1）第一種穩(wěn)態(tài)：臨界導(dǎo)通模式

臨界導(dǎo)通模式（Borderline/Critical Conduction Mode），簡(jiǎn)稱BCM或者CRM，就是在下一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，前一個(gè)開(kāi)關(guān)剛好將存儲(chǔ)在電感中的能量釋放完畢，從電流角度看，電流可以回到零，電流的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是“零”，TON+TOFF為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

（2）第二種穩(wěn)態(tài)：斷續(xù)導(dǎo)通模式

斷續(xù)導(dǎo)通模式，（Discontinuous Conduction Mode），簡(jiǎn)寫為DCM，就是在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束之前，電感電流已經(jīng)下降到零，即電感在空閑狀態(tài)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間（不工作，也就是提前將存儲(chǔ)的能量釋放完畢），在下一個(gè)周期開(kāi)始，電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)，一個(gè)周期內(nèi)，實(shí)際關(guān)斷時(shí)間小于TOFF。

（3）第三種穩(wěn)態(tài)：連續(xù)導(dǎo)通模式

連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode），簡(jiǎn)寫為CCM，電流在每個(gè)周期結(jié)束，電感電流不會(huì)下降到零，而是保持一個(gè)直流量，在直流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減，但開(kāi)通電流增量=關(guān)斷電流減量=△I，也就是在偏置的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)隨時(shí)間的變量。

第二部分：反激式電源的準(zhǔn)諧振工作

1、反激式電源的準(zhǔn)諧振（QR）和準(zhǔn)諧振工作

準(zhǔn)諧振（Quasi?Resonant），簡(jiǎn)稱QR，在最常見(jiàn)的反激式開(kāi)關(guān)電源中，準(zhǔn)諧振表達(dá)的意義是在最小漏源電壓（Vds）下執(zhí)行開(kāi)通開(kāi)關(guān)管（如常用的MOSFET等半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管）。 也就是準(zhǔn)諧振運(yùn)行或工作，一般的電源管理IC通過(guò)去磁電路檢測(cè)到電源工作模式，再通過(guò)檢測(cè)信號(hào)事件，在最小漏-源電壓波形下開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，來(lái)確保減小開(kāi)通損耗和EMI噪聲干擾。 這種方式不是傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM），而是在不同的負(fù)載下，開(kāi)關(guān)頻率也在變，可以看做PFM（頻率調(diào)制）

2、讓電源開(kāi)關(guān)管（MOSFET的話，就是Vds電壓）進(jìn)入準(zhǔn)諧振（QR）模式

首先需要振蕩，這里就是諧振，就是原邊電感LP、漏感Ls以及開(kāi)關(guān)管寄生電容組成的LC諧振電路，其中電感因素中LP起主導(dǎo)作用。

實(shí)際反激式電源開(kāi)關(guān)管兩端電壓進(jìn)入諧振波形

LC諧振演示視頻如下

3、什么模式下才能進(jìn)入諧振（QR）

電感存儲(chǔ)的能量消失（全部釋放給負(fù)載），此時(shí)副邊二極管電流減小到“零”，也就是二極管關(guān)斷了，此時(shí)由于電流的消失，副邊反射給原邊的反射電壓消失，也就是副邊對(duì)原邊的箝位電壓消失，開(kāi)關(guān)管MOSFET的寄生電容Cds兩端電壓突然發(fā)生變化，Cds與漏感Ls和原邊勵(lì)磁電感Lp一起發(fā)生諧振，從前面分析可知，這樣就是電源中電感工作在了斷續(xù)模式“ DCM”或者是臨界連續(xù)模式“BCM”。 如若對(duì)反射電壓還有疑問(wèn)， 請(qǐng)參閱我的頭條短文“反激式電源是如何反射電壓的” https://m.toutiaocdn.com/i6851014167428596227/?app=news_article×tamp=1596683219&use_new_style=1&req_id=2020080611065901013105707713264D52&group_id=6851014167428596227

DCM模式下，二極管回到電流零狀態(tài)，因此反向恢復(fù)就會(huì)很小，極大減小了反向恢復(fù)損耗，再者DCM模式下，建模中得到的系統(tǒng)也是一階模型，對(duì)電源環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。

諧振頻率“f”可以通過(guò)以下公式估算，因?yàn)樽儔浩鞯哪承┘纳娙菀矔?huì)影響，所以是簡(jiǎn)化模式的估算公式：

且振蕩現(xiàn)象在輸入母線電壓上下振蕩，呈現(xiàn)波谷和波峰，如下波形正弦部分

由于電路中存在電阻性阻抗的緣故，振蕩幅度隨著時(shí)間的增加一直在減小，實(shí)際模型便是RLC諧振，R是諧振的阻尼因素。

4、回顧到前面，我們說(shuō)反激式電源中準(zhǔn)諧振的含義

準(zhǔn)諧振表達(dá)的意義是在最小漏源電壓（Vds）下執(zhí)行開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，這正是因?yàn)?，諧振模式下，Vds振蕩存在波峰和波谷，那么如果我們通過(guò)一些檢測(cè)手段能夠檢測(cè)到波谷，并且在Vds波谷的地方打開(kāi)開(kāi)關(guān)管，這時(shí)電流和電壓的交叉損耗會(huì)相對(duì)如連續(xù)模式或者諧振停止后降到最小，所以準(zhǔn)諧振能夠降低開(kāi)通損耗，這正是它的優(yōu)勢(shì)所在。

如下舉例在非連續(xù)模式下（臨界連續(xù)和斷續(xù)模式）的準(zhǔn)諧振開(kāi)通波形

首先需要注意，非連續(xù)模式下，電感電流沒(méi)有直流分量，對(duì)于反激式電源中，耦合電感（也就是我們通常說(shuō)的反激式“變壓器”），由于存儲(chǔ)和釋放在不同電壓和時(shí)間下進(jìn)行，原邊電感電流總是從零起步（如下圖），副邊電流總是從最高點(diǎn)下降到零，原邊和副邊保持安匝（N.I）相等。

實(shí)際波形，黃色波形代表的是原邊電感電流或者開(kāi)關(guān)管電流

連續(xù)模式（BCM），從前面振蕩分析可知，其實(shí)Vds振蕩形式可以看出是BCM，剛進(jìn)入振蕩，意味著電流剛釋放完畢.

斷續(xù)模式（DCM），其實(shí)Vds可以看出是DCM，Vds已經(jīng)振蕩不止一次

連續(xù)模式（CCM）下，電感電流不能被完全釋放到零，關(guān)斷后，副邊電流產(chǎn)生反射電壓，Vds始終被箝位在母線電壓+反射電壓，也就不可能發(fā)生諧振。 開(kāi)通過(guò)程，電壓下降也是從這個(gè)電壓的最高點(diǎn)開(kāi)始下降的（圖中藍(lán)色虛線），開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加。

開(kāi)關(guān)損耗是，在動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電流和電壓交叉形成，減小的辦法要么降低二者的值（準(zhǔn)諧振是降低開(kāi)通電壓），要么避免它們交叉（軟開(kāi)關(guān)）

（1）臨界連續(xù)（BCM）下的準(zhǔn)諧振開(kāi)通

特點(diǎn)：由于存儲(chǔ)在電感中的能量剛好釋放完畢，電感和開(kāi)關(guān)管寄生電容剛開(kāi)始產(chǎn)生諧振振蕩，電源管理芯片檢測(cè)到電感完全去磁信號(hào)，通過(guò)一定的延時(shí)，在接近振蕩波谷時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，這樣減少了開(kāi)通損耗。

（2）斷續(xù)模式（DCM）下，準(zhǔn)諧振開(kāi)通

特點(diǎn)：電感能量被完全釋放，電感和開(kāi)關(guān)管寄生電容已經(jīng)發(fā)生諧振，在電源管理芯片會(huì)檢測(cè)到電感已經(jīng)完全去磁，并且在諧振后的某個(gè)諧振波谷導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管，以便減小開(kāi)通損耗。

5、反激式電源中電源管理芯片準(zhǔn)諧振功能舉例

（1）芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）對(duì)準(zhǔn)諧振功能的描述

目前多數(shù)反激式電源管理芯片都具有了準(zhǔn)諧振這個(gè)功能，如下是NXP的1377和1377B，Quasi-Resonant正是準(zhǔn)諧振（QR），描述如下

NCP1377通過(guò)去磁檢測(cè)確保電路工作在臨界連續(xù)模式，以便讓電源工作在準(zhǔn)諧振模式下，如下是其數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）的描述

（2）磁芯復(fù)位（電感復(fù)位實(shí)質(zhì)是磁芯復(fù)位）關(guān)鍵檢測(cè)引腳

NCP1377去磁檢測(cè)引腳“Demag”功能（Function），電感磁芯復(fù)位和過(guò)壓檢測(cè)，通過(guò)輔助線圈信號(hào)確保不連續(xù)工作狀態(tài)，如下手冊(cè)描述

如下NCP1377的去磁檢測(cè)，磁芯復(fù)位檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)輔助繞組上電壓變化來(lái)完成。 這個(gè)電壓表達(dá)了反激的極性（同磁芯的繞組，根據(jù)同名端判斷），典型的電平檢測(cè)是50mV

（3）進(jìn)入準(zhǔn)諧振的檢測(cè)

下圖表達(dá)的是去磁檢測(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的幾個(gè)可能的地方，那么通過(guò)輔助繞組是如何知道磁芯已經(jīng)復(fù)位了呢？ 我們?cè)偻驴?/p>

如下圖，輔助繞組的同名端和輸出繞組的相同，當(dāng)輸出通過(guò)繞組將電感中的能量消耗完畢時(shí)，輔助繞組也會(huì)被感應(yīng)到已經(jīng)磁復(fù)位了（這里是到零），因?yàn)閷?duì)于耦合電感，它只判別電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，輸入繞組、輸出繞組還是輔助繞組，那是你認(rèn)為定義的，耦合電感或者變壓器只認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)

輔助繞組通過(guò)分壓電路，將輔助繞組值按照分壓比例送入適合的一個(gè)值給芯片內(nèi)部遲滯比較器，當(dāng)比例分壓值小于50mV時(shí)，比較器開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)內(nèi)部RS觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)電路打開(kāi)外部開(kāi)關(guān)管。

如下是遲滯比較器的遲滯值或回滯值

又回到前面檢測(cè)磁復(fù)位，下圖中我們可以看到示意圖中三個(gè)小于50mV的值，那么至于在哪一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，就要通過(guò)外部電阻和寄生電容的結(jié)果，典型的延遲時(shí)間是210ns

Rdem匹配電阻，手冊(cè)給出電流限制，從下面一段話可以看出，它是電流限制和延遲開(kāi)通的一個(gè)因素

手冊(cè)中給出的典型延時(shí)時(shí)間

波形測(cè)試，可以看出在Vds下降到母線電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)大約200ns后，開(kāi)關(guān)管再次開(kāi)通，和手冊(cè)相符。

綜上

（1）我們先認(rèn)識(shí)電源中電感的穩(wěn)態(tài)工作模式（DCM、BCM和DCM）是關(guān)鍵；

（2）清楚概念，尤其是原理性概念，如伏秒積、反射電壓、諧振；

（3）慮寄生參數(shù)的影響，將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際電路中時(shí)，尤其是像諧振振蕩，你就不得不考慮寄生因素，比如咱們上面說(shuō)的準(zhǔn)諧振（QR），實(shí)際的開(kāi)關(guān)管，如MOSFET，本身由于結(jié)構(gòu)的原因存在寄生電容，和電感結(jié)合就容易產(chǎn)生諧振，我們通過(guò)控制電感工作模式結(jié)合寄生因素，來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)，讓電源工作更優(yōu)。

附：常用功率MOSFET的結(jié)構(gòu)模型，包含寄生參數(shù)