自从二十世纪七十年代后期开始，电源供应器便一直采用电流模式的控制方法控制供电。这种控制方法已应用了二十多年，但一般的业者仍然不大清楚它的作业方式及特性。大部分工程师只知道开关式电源供应器皆采用较多人熟悉的电压模式控制方法。对于他们来说，电流模式的控制方法属于高深的技术，没有必要去深入钻研。有这种想法是一件非常可惜的事，因为电源供应系统设计工程师最低限度必须知道电压模式控制与电流模式控制的基本分别，才能真正明白在什么情况下应采用什么控制架构。本文会深入讨论电流模式的控制方法。

《图一 电流模式控制器的控制电路方块图》

电流模式控制系统除了设有电压回授电路之外，还设有电感电流回授回路。电流模式控制转换器利用电感电流以及输出电压误差讯号作为输入讯号，输入脉冲宽度调变器。 (图一)显示峰值电流模式控制系统的电路简图，图中的峰值电感电流与输出电压都由控制电路控制。系统会不停感测电感电流，并将其大小与视为控制电压（VC）的输出电压误差加以比较。

脉冲宽度调变比较器会在电源已开启的时间内输出高功率，直至感测的电感电流相等于控制电压。一旦两者处于相同水平，脉冲宽度调变比较器便会降低输出，并将电源关闭，然后利用固定频率时脉讯号设定RS锁定模式，以便启动另一阶段的作业。按照这个作业方式，利用控制电压便可准确控制电感器的峰值电流，因为电流回路的出现，使得电感器运作如同电流，并为电流模式控制系统添加许多特性。

虽然(图二)的电路简图清楚显示占空比（脉波在一个周期内讯号的高电位时间占整个周期的比例）是利用电感电流及输出电压计算出来，但工程师很难估算占空比对转换器的效能有何影响。深入分析小讯号的表现有助工程师对电流模式控制的重要特性建立初步的了解。

(图一)显示的是峰值电流模式控制系统的小讯号方块图。这个控制系统设有两个回授回路：外侧的回授回路（TV）负责将电压资料送回，而内侧的回授回路（Ti）则负责将电流资料送回。电压回路的回授方式与电压模式控制系统大致相同，例如利用输出电压误差产生补偿控制电压。

电流回路（Ti）是电流模式控制架构所独有的。控制电压（VC）输入电流回路之后，会与不断被感测的电感电流互相比较，然后据此设定占空比。这个占空比的讯号会传送至电源供应级（例如开关元件、电感器及输出电容器），以便电源供应级产生相应的电感电流及输出电压。然后电流模式控制系统再透过感测增益Ri将电感电流回馈至电流回路，以便再与VC比较。

若电流回路已关闭，便会出现以下看似矛盾的情况：设有L及COUT等两个反应元件的第二级系统成为单极系统。可以利用回授理论合理解释这种现象。利用回授电路控制电感电流，其实际效果有点像利用电源为输出电容器及负载馈送电流。因此若频率低于电流回路的频宽，电流模式电源供应级只有一个电极几乎由COUT II RLOAD阻抗所独立产生。

《图二 采用电流模式控制方法的降压转换器的电路简图（输出电压及电感电流同样被感测）》

电流回路不会只在低频率作业时才对电源供应级有影响。根据有关电流回路的小讯号电流干扰的分析显示，电流回路与离散时间取样资料系统极为相似。这类取样及保持系统的双极较为复杂，往往是取样（开关）频率的很多倍。取样及保持频率的次级近似值较为准确，其准确度高达开关频率的一半，理论上这是电源供应器频宽的极限。

《图三 电压模式及电流模式转换器的控制至输出波德图（电流模式转换器会出现额外的90°相位）》

采用电流模式的控制方法可以在几方面提升系统的效能。电流模式控制的主要优点是线路稳压非常稳定，补偿电路设计较为简单，即使负载出现较大的变动也能保持稳定可靠，且内建每一周期的电流限幅。线路稳压是指由输入电压变动所引起的输出电压波动，波幅受控制至输出传送函数的增益所影响（图一的电源供应级）。

以电流模式架构来说，控制至输出传送函数的增益不受VIN的控制，因此线路有很好的稳压效果。相较之下，若采用电压模式架构，控制至输出传送函数便会受VIN这个因素影响。换言之，增益与VIN成正比，因此线路的稳压效果会较差。

电流模式架构的补偿电路可以采用非常简单的设计，因为控制至输出的传送函数只有一个低频的电极，相较之下，电压模式架构则有双极，如(图三)，使电流模式架构会出现额外的90相位漂移。出现这个不同现象的原因非常简单，因为电流回路负责监察及控制电感电流。

以降压转换器为例来说，电源供应级可以执行近似电源流源的功能，可为平行连接的输出电容器及负载提供供电，因此只产生一个低频电极。但电压模式控制系统的电感电流并不受控制，而且由于LC滤波器的缘故，电源供应级会产生双极。由于电源供应级在低频作业时只有一个电极，因此有关补偿只需直流增益、单极滚降（roll off）及相位领先（phase lead）的一个零（I类或滞后补偿），而且只需利用误差讯号放大器、电容器及电阻器便可作出补偿。以简单的补偿电路来说，可以将补偿放在恰当的位置，让补偿可以抵销电源供应级的电极，以便TV的开回路响应可以达到–20dB/Dec的滚降。

补偿电路通常设于电源供应级附近，以确保可以发挥理想的动态效能。每当转换器在连续导电模式（CCM）及断续导电模式（DCM）之间切换时，电源供应级的频率反应也会随着改变。若采用连续导电模式，电感电流是连续的，而且不会接近零。但若采用断续导电模式，电感电流是断续的，而且在开关进行时的某一时段内会变为零。

随着负载电流的下降，转换器会在下降轨道上的某一点由连续导电模式转为断续导电模式。若采用电压模式的控制，电源供应级会在连续导电模式与断续导电模式之间的边界进行双极系统及单极系统的切换。对于一级及二级的系统来说，需要的补偿电路极为不同。

电流模式架构的主要优点是无论采用断续导电模式还是连续导电模式，电源供应级的传送函数都非常相似（在低频至中频范围内属一级）。因此，转换器采用断续导电模式及连续导电模式驱动较大负载时，其动态效能不会有大幅度的波动。

但电流回路的另一优点是内建的电流限幅，而且无需为感测电感电流而额外加设电路，因为电流回授回路本身也有电感电流。

总结

电源供应器的电流模式控制方法本来是很难加以分析，因为电流模式控制系统本身就采用多回路的架构。但电流回路可将电感器变为受控电源，明白这一点便有助于精简这种控制电路的设计，也可对电流模式架构有一个较为深度的认识。电流回授回路有一些独特的优点是电压模式控制器所没有的。例如，线路的稳压效果较好，补偿电路的设计较为简单，连续导电模式与断续导电模式在效能上也没有太大的分别，而且架构本身内建了电流限幅功能。许多的例子也证实电流模式的控制方式可以提高电源供应器的效能。

（作者为NS美国国家半导体应用技术工程师）

延 伸 阅 读

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