高筑墙，广积粮，BUCK电路启动之CCM与DCM辨析

高筑墙，广积粮，缓称王。 - 《明史·朱升传》

元末群雄并起，天下大乱。朱元璋起于濠梁，初定金陵，四周强敌环伺：东有张士诚，西有陈友谅，北有元廷残军，南有方国珍、陈友定等割据势力。

彼时，徽州谋士朱升进言三策："高筑墙，广积粮，缓称王。"意为：加固防御、积蓄粮草、暂缓称帝。朱元璋从之，先稳根基，后图发展，终成大明三百年基业。

这三策的精髓在于一个"稳"字——不急于扩张，先夯实基础，步步为营，稳扎稳打。

在开关电源领域，BUCK变换器的启动过程也面临类似的战略抉择：是像CCM（连续导通模式）那样长驱直入、连续不断地向输出输送能量，还是像DCM（断续导通模式）那样如"高筑墙、广积粮"般谨慎从事、每个开关周期都将电感电流归零后再重新出发？

1 | 背景：BUCK电路的启动挑战

1.1 什么是启动？

BUCK变换器的"启动"（Start-up），是指从输入电压施加、使能信号拉高，到输出电压稳定在目标值的全过程。这个过程通常持续数毫秒至数十毫秒，由"软启动"（Soft-Start）机制控制输出电压的上升斜率。

启动时的核心矛盾在于：输出电容初始电压为零（或存在预偏置电压），而输入电压已经就绪。此时若直接施加满占空比，巨大的电压差将驱动极大的电感电流——这就是"浪涌电流"（Inrush Current）问题，轻则使输出电压过冲，重则烧毁器件。

软启动机制正是为解决这一问题而生。它通过逐步提高内部参考电压或电流限制阈值，让输出电压按受控斜率缓慢上升，如同"缓称王"——不急于一步到位，而是稳扎稳打。

1.2 CCM与DCM的基本定义

在深入启动模式之前，先回顾两种导通模式的基本定义。

CCM（Continuous Conduction Mode，连续导通模式）：电感电流在整个开关周期内始终大于零，电流波形连续不断。同步BUCK中，低侧MOSFET在整个关断期间持续导通，电感电流甚至可以为负。

DCM（Discontinuous Conduction Mode，断续导通模式）：电感电流在每个开关周期内降至零，并保持一段零电流"空闲"时间。在同步BUCK中，这通过零交叉检测器在电流归零时关断低侧FET来实现，称为二极管仿真模式（Diode Emulation Mode, DEM）。

两种模式的分界线称为BCM（Boundary Conduction Mode，临界导通模式），此时电感电流恰好在周期末降至零，没有空闲时间。

在稳态CCM下，由电感伏秒平衡原理，Buck变换器的占空比为：

$$ D = \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} \tag{1} $$

其中：

• D：占空比

• V_OUT：输出电压（V）

• V_IN：输入电压（V）

由式(1)和电感伏秒平衡，可推导电感纹波电流。导通期间电感两端电压为（V_OUT- V_IN），关断期间为 V_OUT，由伏秒平衡：

$$ \left(V_{IN}-V_{OUT}\right)\cdot D\cdot T_{SW}=V_{OUT}\cdot\left(1-D\right)\cdot T_{SW} \tag{2} $$

化简即得式(1)。纹波电流为：

$$ \Delta I_L = \frac{V_{IN}-V_{OUT}}{L}\cdot D\cdot T_{SW} = \frac{V_{OUT}(1-D)}{L}\cdot T_{SW} \tag{3} $$

其中：

CCM与DCM的边界负载电流为纹波电流的一半：

$$ I_{OUT,\mathrm{boundary}}=\frac{\Delta I_L}{2}=\frac{V_{OUT}(1-D)}{2L}\cdot T_{SW} \tag{4} $$

当实际负载电流大于 $ I_{OUT,\mathrm{boundary}} $时，变换器工作在CCM；小于时，工作在DCM。

1.3 启动阶段的特殊性

启动阶段与稳态运行有一个根本区别：输出电压不是恒定的，而是从零（或预偏置电压）逐渐上升至目标值。

这意味着：

1. 占空比D不是固定的，而是随V_OUT变化

2. 电感电流的充放电斜率随V_OUT变化

3. CCM/DCM的边界条件 $ I_{OUT,\mathrm{boundary}} $也在不断变化

正是这种"动态"特性，使得启动阶段的模式选择成为一个值得深入分析的工程问题。接下来，本文将从CCM和DCM两条路径分别剖析。

2 | CCM模式启动：主流之选

2.1 启动初期的电感电流物理

启动初期，V_OUT=0，此时的电感电流行为有其特殊性，需要从基本物理定律出发分析。

导通阶段（ON-time）：高侧开关导通，电感两端电压为：

$$ V_L = V_{IN} - V_{OUT} \approx V_{IN} \tag{5} $$

电感电流上升斜率：

$$ \frac{di_L}{dt}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{L}\approx\frac{V_{IN}}{L} \tag{6} $$

关断阶段（OFF-time）：低侧开关导通（同步Buck），电感两端电压为：

$$ V_L = -V_{OUT} \approx 0 \tag{7} $$

电感电流下降斜率：

$$ \frac{di_L}{dt}=\frac{-V_{OUT}}{L}\approx 0 \tag{8} $$

这里出现了关键现象：**启动初期，电感电流上升快、下降极慢。**导通时以V_IN/L的速率快速上升，关断时因V_OUT≈0 而几乎不下降。

以一个具体数值为例。设 $ V_{IN}=12\mathrm{V},\quad L=10\mu\mathrm{H},\quad F_{sw}=500\mathrm{kHz}\quad (T_{sw}=2\mu\mathrm{s}) $，启动初期V_OUT=0.1V，软启动限制占空比D=0.01：

导通阶段电流上升量：

$$ \Delta I_{rise}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{L}\cdot D\cdot T_{SW}=\frac{12-0.1}{10\mu H}\times 0.01\times 2\mu s=0.0238A \tag{9} $$

关断阶段电流下降量：

$$ \Delta I_{fall}=\frac{V_{OUT}}{L}\cdot(1-D)\cdot T_{SW}=\frac{0.1}{10\mu H}\times 0.99\times 2\mu s=0.0198A \tag{10} $$

可以看到，即使在极小占空比下，电流上升量（23.8mA）仍略大于下降量（19.8mA），电感电流存在净增量。这意味着启动初期，电感电流有逐周期累积的趋势。若不加限制，电流将持续增长，直至电流限制电路介入。

在CCM/FPWM模式下，低侧MOSFET在整个关断期间持续导通，维持电感电流的连续性。软启动机制通过逐步提高电流限制或占空比参考，控制这个累积过程，使输出电压按预定斜率上升。由于电感电流始终连续，控制环路在每个周期都能"感知"到电流状态，调节更为直接。

2.2 软启动与CCM的配合

软启动的核心原理是通过一个受控的参考电压斜坡，逐步提高输出电压目标值。以TI LM5161为例，其内部电流源对外部SS引脚电容充电，SS电压从上升至，输出电压跟随SS电压线性上升[1]。

软启动期间，输出电容的充电电流决定了启动期间的等效负载：

$$ I_{charge}=C_{OUT}\cdot\frac{dV_{OUT}}{dt} \tag{11} $$

其中：

以$ C_{OUT}=47\,\mu\text{F} $、软启动时间 $ T_{ss}=5\,\mathrm{ms},\; V_{OUT} $ 从0V到3.3V为例：

$$ I_{charge}=47\,\mu\text{F}\times\frac{3.3\,\text{V}}{5\,\text{ms}}=0.031\,\text{A} \tag{12} $$

这个充电电流约31mA，加上静态负载电流，构成了启动期间的等效负载。只要这个电流大于式(4)给出的CCM/DCM边界电流$I_{\mathrm{OUT},\mathrm{boundary}} $，变换器就能维持在CCM。

在FPWM模式下，即使等效负载低于边界电流，变换器也通过强制低侧FET持续导通来维持CCM——此时电感电流可能为负，但控制环路始终工作在连续模式，传递函数不发生突变。

2.3 强制连续导通模式（FPWM）

许多同步BUCK芯片提供"强制PWM"（Forced PWM, FPWM）模式，即无论负载轻重，始终保持固定频率PWM开关，低侧FET在整个关断期间持续导通。这种模式在启动期间有几个关键优势：

1. 固定开关频率：便于EMI滤波设计和频率同步

2. 控制环路传递函数可预测：CCM下功率级为二阶系统，补偿网络设计一次到位

3. 输出电压单调上升：电感电流连续，不会出现脉冲跳跃导致的纹波起伏

4. 支持预偏置启动（需配合额外保护逻辑）：在部分芯片中，FPWM配合预偏置检测也能安全启动

TI LM5168/LM5169即提供了FPWM模式选项。当FPWM引脚配置为高电平时，芯片在所有负载条件下保持CCM运行，输出电压单调启动[2]。LM5161同样通过FPWM引脚选择FPWM或DEM模式[1]。

2.4 CCM启动的典型芯片实例

以TI LM3495为例，这是一款采用"仿真峰值电流模式"（Emulated Peak Current Mode）控制的BUCK控制器。其datasheet明确描述：启动时内部软启动持续400个开关周期，且在软启动期间启用过流保护[3]。

"Once these two conditions have met an internal soft start begins and lasts for 400 switching cycles. Current limit is enabled during soft start to protect against a short circuit at the output."[3]

LM3495在固定PWM模式下，电感电流可以通过低侧FET反向流动，使变换器在所有负载条件下保持CCM，确保启动过程单调且可控。

下表汇总了几款以CCM/FPWM启动为主的BUCK芯片：

芯片型号	厂商	电压范围	软启动方式	启动模式	说明
LM3495	TI	低压应用	内部400周期	CCM/Fixed PWM	仿真峰值电流模式，全程CCM
LM5168/5169	TI	120V	内部3ms	FPWM或Auto可选	FPWM下全程CCM
LM5161	TI	100V	外部SS电容	FPWM或DEM可选	FPWM=1时全程CCM

3 | DCM模式启动：另辟蹊径

3.1 预偏置启动：DCM的用武之地

前面讨论的都是从零电压启动的情况。但在实际应用中，存在一种特殊且常见的场景：预偏置启动（Pre-biased Start-up）。

预偏置启动是指输出端在启动前已经存在一定电压。这种情况可能来自：

并联

灌电流

反电动势

预偏置启动的核心风险在于：如果变换器以CCM/FPWM方式启动，低侧FET持续导通，而软启动初期的目标电压低于预偏置电压，电感电流将变为负值——即电流从输出端反向流入输入端。这不仅会拉低输出电压、造成非单调启动，还可能导致能量倒灌、器件损坏。

这就像一座城池已有守军驻扎（预偏置电压），若贸然大举进攻（CCM启动），反而可能伤及己方。此时应当采取"高筑墙"的策略——先确保不丢失已有领地，再逐步扩张。

3.2 二极管仿真模式（DEM）原理

二极管仿真模式（Diode Emulation Mode, DEM）通过零交叉检测器（Zero-Cross Detector）监测电感电流。当电感电流降至零时，立即关断低侧FET，阻止电流反向流动——相当于用同步FET"仿真"了一个理想二极管的单向导通特性。

DEM的核心逻辑可以用如下判据表达：

当iLt(t)≤0时，立即关断低侧FET(13)

在DEM/DCM模式下，电感电流永远不会为负，从根本上消除了反向电流的风险。这就是"高筑墙"——筑起一道单向的城墙，只允许能量从输入流向输出，禁止任何回流。

3.3 DCM启动的物理过程

在DCM启动期间，每个开关周期的电感电流经历三个阶段：

阶段一：导通充电（0→t1）

高侧FET导通，电感电流从零开始上升：

$$i_L(t)=\frac{V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{OUT}}}{L}\cdot t \tag{14}$$

峰值电流：

$$I_{\mathrm{peak}}=\frac{V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{OUT}}}{L}\cdot T_{\mathrm{on}} \tag{15}$$

阶段二：关断放电（t1→t2）

低侧FET导通，电感电流从峰值下降。当V_OUT较小时，放电速率慢：

$$i_L(t)=I_{\mathrm{peak}}-\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{L}\cdot\left(t-t_1\right) \tag{16}$$

放电持续时间：

$$T_{\mathrm{discharge}}=\frac{I_{\mathrm{peak}}\cdot L}{V_{\mathrm{OUT}}}=\frac{\left(V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{OUT}}\right)\cdot T_{\mathrm{on}}}{V_{\mathrm{OUT}}} \tag{17}$$

阶段三：零电流保持（t1→T_SW）

电感电流保持为零，低侧FET关断，等待下一个开关周期。

DCM启动的关键优势在于：电感电流每个周期都归零，不存在逐周期累积的风险。每个周期的最大电流由式(15)严格限定，即使控制环路出现异常，也不会出现电流失控。

但DCM启动也有代价。由式(17)可知，当V_OUT≈0时，放电时间趋于无穷大。这意味着在启动极早期，电感电流的下降速率极慢，可能需要远超一个开关周期的时间才能归零。实际芯片中，这意味着DCM模式在启动极早期的有效开关频率可能大幅降低，输出电压上升较慢。

3.4 DCM启动的典型芯片实例

TI LM5146：预偏置启动自动DEM/DCM

TI LM5146是一款100V同步降压控制器，其datasheet对预偏置启动的描述堪称教科书级的经典：

"Diode emulation mode is automatically engaged to prevent reverse current flow during a prebias start-up. A gradual change from DCM to CCM operation provides monotonic start-up performance."[4]

这段话揭示了LM5146的精妙策略——分两步走：

1. 预偏置启动初期：自动启用DEM/DCM，防止反向电流——这是"高筑墙"

2. 接近调节点时：从DCM渐变到CCM，保证单调启动——这是"缓称王"

LM5146通过SYNCIN引脚配置模式：连接到AGND或悬空时启用DEM（轻载DCM），连接到VCC时强制FPWM（全程CCM）[4]。

TI LM70840：DCM到CCM的平滑过渡

TI LM70840是80V汽车级同步降压控制器，其datasheet进一步说明了DCM到CCM过渡的设计意图：

"During start up, when the output voltage approaches the regulation set point a gradual change from DCM to CCM occurs, preventing the output voltage overshoot."[5]

这里的设计考量不仅防止反向电流，还通过DCM到CCM的渐变来防止输出过冲。在接近目标电压时，如果突然从DCM切换到CCM，可能因控制环路响应特性突变而导致过冲。渐变过渡平滑了这一过程，如同"缓称王"——不急于一步到位，而是平稳过渡。

TI LM46001-Q1：等待式预偏置启动

TI LM46001-Q1采用了另一种策略——"以静制动"：

"With a prebiased output voltage, the LM46001-Q1 will wait until the soft-start ramp allows regulation above the prebiased voltage. It will then follow the soft-start ramp to the regulation level."[6]

即：不急于开始开关动作，而是等待软启动斜坡超过预偏置电压后才开始调节。这就像朱升的"缓称王"——不急于出击，等到时机成熟、实力超越对手时再行动。在此之前，保持静默，避免不必要的冲突。

TI TPS54202：轻载DCM特征

TI TPS54202是一款28V、2A同步降压转换器，在轻载时进入脉冲跳跃模式，表现出DCM特征：

"Pulse skipping initiates when the switch current falls to 300mA (typical). During pulse skipping, the low-side FET turns off when the switch current falls to 0A. The switching node waveform takes on the characteristics of discontinuous conduction mode (DCM) operation."[7]

在启动初期，如果等效负载（电容充电电流）较小，开关电流可能低于300mA阈值，TPS54202自然进入类DCM的脉冲跳跃模式，低侧FET在电流归零时关断，呈现DCM波形特征。

下表汇总了使用DCM/DEM启动的典型芯片：

芯片型号	厂商	电压范围	DCM启动场景	策略特点
LM5146	TI	100V	预偏置启动	自动DEM/DCM，渐变到CCM
LM70840	TI	80V	预偏置启动	DCM→CCM渐变，防过冲
LM46001-Q1	TI	60V	预偏置启动	等待SS超过预偏置电压
TPS54202	TI	28V	轻载/启动初期	脉冲跳跃，300mA起始DCM特征

4 | CCM与DCM启动的深度对比

4.1 启动电流特性对比

在CCM启动中，电感电流连续流动，软启动通过控制占空比或电流限制来管理浪涌电流。电流波形为三角波叠加在直流分量之上。

在DCM启动中，电感电流每个周期归零，峰值电流由导通时间和电感值决定（式(15)）。DCM提供了天然的电流限制——即使控制环路出现异常，每个周期的最大电流也不会超过 Ipeak。

但DCM启动的代价是能量传输效率较低：每个周期有一段零电流空闲时间，有效占空比降低，输出电压上升速度较慢。

4.2 预偏置启动安全性对比

预偏置启动是CCM与DCM差异最为显著的场景：

对比维度	CCM/FPWM启动	DCM/DEM启动
反向电流	可能出现（低侧FET持续导通）	不可能出现（零交叉关断）
输出单调性	可能非单调（拉低预偏置电压）	单调上升（不拉低已有电压）
能量倒灌风险	存在	不存在
控制复杂度	需额外预偏置保护逻辑	天然保护，无需额外逻辑

4.3 综合对比

对比维度	CCM/FPWM启动	DCM/DEM启动
适用场景	从零启动、正常负载	预偏置启动、轻载启动
输出单调性	好（软启动控制）	好（天然电流限制）
反向电流风险	存在（需额外保护）	不存在
启动速度	快（连续能量传输）	较慢（有空闲周期）
轻载效率	低（固定频率开关损耗）	高（减少开关损耗）
环路复杂度	二阶系统，补偿较复杂	一阶系统，补偿较简单
EMI特性	固定频率，易滤波	频率变化，EMI设计较难
主流程度	主流（多数同步BUCK芯片）	特定场景（预偏置、轻载）

5 | 总结

回到开头朱升的三策。"高筑墙"——DCM/DEM在每个周期将电感电流归零，如同筑起防御城墙，阻止反向电流入侵；"广积粮"——软启动逐步积累输出电压，如同积蓄粮草，不急于求成；"缓称王"——从DCM渐变到CCM，如同暂缓称帝，等到根基稳固再全面发力。

1. 多数BUCK芯片在正常启动（从零启动）时采用CCM/FPWM模式。原因是CCM配合软启动能保证输出单调上升、固定频率便于EMI设计和环路稳定、瞬态响应更快。典型芯片如TI LM3495（内部400周期软启动全程CCM）、LM5168/5169（FPWM模式全程CCM）。

2. 确实存在使用DCM/DEM启动的BUCK芯片，典型场景是预偏置启动。TI LM5146在预偏置启动时自动启用DEM/DCM防止反向电流，并在接近调节点时渐变到CCM；LM70840通过DCM到CCM渐变防止输出过冲；LM46001-Q1等待软启动超过预偏置电压后才开始调节。此外，TPS54202等芯片在轻载启动时自然进入类DCM的脉冲跳跃模式。

3. DCM启动的核心原因在于：预偏置启动时防止反向电流倒灌、天然逐周期电流限制提高安全性、轻载时减少开关损耗提高效率。CCM启动的核心原因在于：输出单调性更好、启动速度更快、控制环路传递函数可预测。

4. 选择CCM还是DCM启动，本质上是安全性与性能的权衡。预偏置启动、高可靠性要求场景倾向DCM；追求速度和简单性的正常启动倾向CCM。正如"高筑墙，广积粮，缓称王"是在稳与快之间的战略选择——没有绝对的对错，只有因地制宜的取舍。

所谓"万变不离其宗"，BUCK电路启动模式的选择，归根结底是对电感电流的控制策略选择。

参考文献

[1] TI, LM5161 Datasheet (SNVSAF9A), Detailed Description: Soft-Start and FPWM Configuration
[2] TI, LM5169/LM5168 Datasheet, FPWM Mode Configuration and Internal 3ms Soft-Start
[3] TI, LM3495 Datasheet, Start-Up Description: 400 Switching Cycles Soft-Start
[4] TI, LM5146 Datasheet, Diode Emulation Mode and Pre-Biased Start-Up
[5] TI, LM70840 Datasheet, PFM/SYNCIN Configuration: DCM to CCM Gradual Transition
[6] TI, LM46001-Q1 Datasheet, Detailed Description: Prebiased Start-Up
[7] TI, TPS54202 Datasheet, Pulse Skipping Mode: 300mA Threshold
[8] Robert W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics (3rd Edition, 2020), Section 8.2: DCM Converter Transfer Functions