莫贺延碛,长八百余里,古曰沙河,上无飞鸟,下无走兽,复无水草。是时,顾影唯一,但念观音菩萨及般若心经。时行百余里失道,觅野马泉不得。下水欲饮,袋重失手覆之,千里行资一朝斯罄。又失路盘回不知所趣,乃欲东归还第四烽。行十余里自念,我先发愿若不至天竺终不东归一步,今何故来,宁可就西而死,岂归东而生。于是旋辔,专念观音西北而进。是时,四顾茫然,人鸟俱绝,夜则妖魑举火烂若繁星,昼则惊风拥沙散如时雨。虽遇如是,心无所惧,但苦水尽,渴不能前 ...... - 《大慈恩寺三藏法师传》

玄奘法师既诚且勇,为求佛法倾尽一生心血。甚至在西行路上,于生死关头立下“宁可就西而死,岂归东而生”的誓言。十年前曾在学校读到,那时便有种触动内心、难以名状的震撼;十年后再读,虽在深圳经历了那么多苟且,但仿佛被法师护佑了心气,依然是十年前那个完整的少年。
在阅读电源芯片datasheet时,有时能看到Forced CCM、Forced PWM、FCCM等字眼(各家命名不一,但本质上是相同的事情)。Forced CCM,Force Continuous Conduction Mode,强迫连续导通,如同玄奘法师在西行路上独步碛海,纵死不还,非要连通佛法不可。

为了说清楚啥是Forced CCM,我们需要先从电源的CCM和DCM说起。
CCM&DCM

以Buck为例,如上图,可见电感电流波形呈三角波的样貌,它以Iout为中心线而浮动:
- 如果负载加重,意味波形着往上浮,那么电感电流通常不会降到零,我们将此时的模式称为CCM(连续导通模式);
- 如果负载减轻,意味波形着往下沉,那么电感电流有可能降到零,并在一段时间内保持为零,我们将此时的模式称为DCM(断续导通模式)。
除了CCM和DCM,还有种BCM(临界导通模式),它表示电感电流的谷底值刚好触及到零,是CCM和DCM的临界点,这种暧昧情况属于特例,不讨论过多。
可见连续电流模式(CCM)和断续电流模式(DCM)是电感电流的流动来划分的,CCM和DCM对电源来说非常重要,它们传递函数不同,遂而导致开关电源细节处不同。
Forced CCM模式
理解了CCM和DCM后,Forced CCM就很容易解释了。
有时候,我们希望在切换点处(重载→轻载)不要发生CCM→DCM切换,仍然保持为CCM模式,仍然保持开关频率不变,这便是Forced CCM。如下图,描述了负载由重变轻时,电源逐渐从CCM切换为forced CCM的过程。

Forced CCM,Force Continuous Conduction Mode,“强”字体现了意愿的违背。人家本来想工作在DCM模式的,但是强行让它工作在CCM模式。就像周末本来可以休息的,但被狼性公司主管喊来加班。可见这是一种主动的、人为设定的策略。
传统的控制器随着负载减轻自然而然地从CCM过渡到DCM,那么现在开关频率不变,且电感电流已经到零了,还让人家流过电流,那只有让电感电流在过零处变换方向、再继续流淌了!实测某Buck Forced CCM波形如下图。

Forced CCM续流过程
首先我们要知道,在非同步拓扑中,是不能跑Forced CCM模式的。如下图,某异步Buck中,因为整流管为二极管,会阻止电感电流在过零时刻后的反向流动(也称负向流动)。

而在同步拓扑中,二极管被MOS替代,便能因人为设计,表现的不同了:
- 在常规续流时(绿色路径),下管MOS导通,正常续流。
- 当电感电流下降到零时,说明电感中的能量已经耗光了,而如果此时仍然不关闭下管,则因为电感右侧电压(Cout电容电压)高于左侧,电流将反向流动,由此变换为Forced CCM模式。

常规的同步Buck内部都有集成了电感电流过零检测电路,如果不想使能forced CCM模式,则在检测到过零时,关闭下管即可;而如果想使能forced CCM模式,则要保持下管导通。
但不得不说,Forced CCM模式因为如下原因,在轻载时效率较低:
- 输出电压对电感反向励磁会带来损耗,导致效率变低。
- 为了维持CCM,仍然在以固定频率进行开关动作,但传输的能量很少,开关损耗的占比增大,导致效率变低。
Forced CCM优势
上面说过,Forced CCM模式电源在轻载时效率低。但它的优点却无法拒绝,因为开关频率维持不变,输出电压的纹波小、噪声低,可以规避较多干扰类问题。这对于音频小信号、精密测量信号、ADC/DAC等对电源噪声极其敏感的场合至关重要,这也是较多电源芯片包含forced CCM模式的原因。
本人从业时曾遇到过某手机项目在插充电器开机时有人耳可听噪声,定位是充电芯片MP2762A工作在了PSM(pulse skip mode)模式,频率为2.5KHz,正好落在人耳能听到的范围。将MP2762A设置为forced CCM模式,问题解决。
除了规避音频噪声,CCM模式的小信号模型带宽通常更高,在面对负载阶跃变化时,电压的过冲和下冲更小,恢复更快。