自從二十世紀七十年代後期開始，電源供應器便一直採用電流模式的控制方法控制供電。這種控制方法已應用了二十多年，但一般的業者仍然不大清楚它的作業方式及特性。大部分工程師只知道開關式電源供應器皆採用較多人熟悉的電壓模式控制方法。對於他們來說，電流模式的控制方法屬於高深的技術，沒有必要去深入鑽研。有這種想法是一件非常可惜的事，因為電源供應系統設計工程師最低限度必須知道電壓模式控制與電流模式控制的基本分別，才能真正明白在什麼情況下應採用什麼控制架構。本文會深入討論電流模式的控制方法。

《圖一　電流模式控制器的控制電路方塊圖》

電流模式控制系統除了設有電壓回授電路之外，還設有電感電流回授迴路。電流模式控制轉換器利用電感電流以及輸出電壓誤差訊號作為輸入訊號，輸入脈衝寬度調變器。(圖一)顯示峰值電流模式控制系統的電路簡圖，圖中的峰值電感電流與輸出電壓都由控制電路控制。系統會不停感測電感電流，並將其大小與視為控制電壓（VC）的輸出電壓誤差加以比較。

脈衝寬度調變比較器會在電源已開啟的時間內輸出高功率，直至感測的電感電流相等於控制電壓。一旦兩者處於相同水平，脈衝寬度調變比較器便會降低輸出，並將電源關閉，然後利用固定頻率時脈訊號設定RS鎖定模式，以便啟動另一階段的作業。按照這個作業方式，利用控制電壓便可準確控制電感器的峰值電流，因為電流迴路的出現，使得電感器運作如同電流，並為電流模式控制系統添加許多特性。

雖然(圖二)的電路簡圖清楚顯示佔空比（脈波在一個週期內訊號的高電位時間佔整個週期的比例）是利用電感電流及輸出電壓計算出來，但工程師很難估算佔空比對轉換器的效能有何影響。深入分析小訊號的表現有助工程師對電流模式控制的重要特性建立初步的瞭解。

(圖一)顯示的是峰值電流模式控制系統的小訊號方塊圖。這個控制系統設有兩個回授迴路：外側的回授迴路（TV）負責將電壓資料送回，而內側的回授迴路（Ti）則負責將電流資料送回。電壓迴路的回授方式與電壓模式控制系統大致相同，例如利用輸出電壓誤差產生補償控制電壓。

電流迴路（Ti）是電流模式控制架構所獨有的。控制電壓（VC）輸入電流迴路之後，會與不斷被感測的電感電流互相比較，然後據此設定佔空比。這個佔空比的訊號會傳送至電源供應級（例如開關元件、電感器及輸出電容器），以便電源供應級產生相應的電感電流及輸出電壓。然後電流模式控制系統再透過感測增益Ri將電感電流回饋至電流迴路，以便再與VC比較。

若電流迴路已關閉，便會出現以下看似矛盾的情況：設有L及COUT等兩個反應元件的第二級系統成為單極系統。可以利用回授理論合理解釋這種現象。利用回授電路控制電感電流，其實際效果有點像利用電源為輸出電容器及負載饋送電流。因此若頻率低於電流迴路的頻寬，電流模式電源供應級只有一個電極幾乎由COUT II RLOAD阻抗所獨立產生。

《圖二　採用電流模式控制方法的降壓轉換器的電路簡圖（輸出電壓及電感電流同樣被感測）》

電流迴路不會只在低頻率作業時才對電源供應級有影響。根據有關電流迴路的小訊號電流干擾的分析顯示，電流迴路與離散時間取樣資料系統極為相似。這類取樣及保持系統的雙極較為複雜，往往是取樣（開關）頻率的很多倍。取樣及保持頻率的次級近似值較為準確，其準確度高達開關頻率的一半，理論上這是電源供應器頻寬的極限。

《圖三　電壓模式及電流模式轉換器的控制至輸出波德圖（電流模式轉換器會出現額外的90°相位）》

採用電流模式的控制方法可以在幾方面提升系統的效能。電流模式控制的主要優點是線路穩壓非常穩定，補償電路設計較為簡單，即使負載出現較大的變動也能保持穩定可靠，且內建每一周期的電流限幅。線路穩壓是指由輸入電壓變動所引起的輸出電壓波動，波幅受控制至輸出傳送函數的增益所影響（圖一的電源供應級）。

以電流模式架構來說，控制至輸出傳送函數的增益不受VIN的控制，因此線路有很好的穩壓效果。相較之下，若採用電壓模式架構，控制至輸出傳送函數便會受VIN這個因素影響。換言之，增益與VIN成正比，因此線路的穩壓效果會較差。

電流模式架構的補償電路可以採用非常簡單的設計，因為控制至輸出的傳送函數只有一個低頻的電極，相較之下，電壓模式架構則有雙極，如(圖三)，使電流模式架構會出現額外的90相位漂移。出現這個不同現象的原因非常簡單，因為電流迴路負責監察及控制電感電流。

以降壓轉換器為例來說，電源供應級可以執行近似電源流源的功能，可為平行連接的輸出電容器及負載提供供電，因此只產生一個低頻電極。但電壓模式控制系統的電感電流並不受控制，而且由於LC濾波器的緣故，電源供應級會產生雙極。由於電源供應級在低頻作業時只有一個電極，因此有關補償只需直流增益、單極滾降（roll off）及相位領先（phase lead）的一個零（I類或滯後補償），而且只需利用誤差訊號放大器、電容器及電阻器便可作出補償。以簡單的補償電路來說，可以將補償放在恰當的位置，讓補償可以抵銷電源供應級的電極，以便TV的開迴路響應可以達到–20dB/Dec的滾降。

補償電路通常設於電源供應級附近，以確保可以發揮理想的動態效能。每當轉換器在連續導電模式（CCM）及斷續導電模式（DCM）之間切換時，電源供應級的頻率反應也會隨著改變。若採用連續導電模式，電感電流是連續的，而且不會接近零。但若採用斷續導電模式，電感電流是斷續的，而且在開關進行時的某一時段內會變為零。

隨著負載電流的下降，轉換器會在下降軌道上的某一點由連續導電模式轉為斷續導電模式。若採用電壓模式的控制，電源供應級會在連續導電模式與斷續導電模式之間的邊界進行雙極系統及單極系統的切換。對於一級及二級的系統來說，需要的補償電路極為不同。

電流模式架構的主要優點是無論採用斷續導電模式還是連續導電模式，電源供應級的傳送函數都非常相似（在低頻至中頻範圍內屬一級）。因此，轉換器採用斷續導電模式及連續導電模式驅動較大負載時，其動態效能不會有大幅度的波動。

但電流迴路的另一優點是內建的電流限幅，而且無需為感測電感電流而額外加設電路，因為電流回授迴路本身也有電感電流。

總結

電源供應器的電流模式控制方法本來是很難加以分析，因為電流模式控制系統本身就採用多迴路的架構。但電流迴路可將電感器變為受控電源，明白這一點便有助於精簡這種控制電路的設計，也可對電流模式架構有一個較為深度的認識。電流回授迴路有一些獨特的優點是電壓模式控制器所沒有的。例如，線路的穩壓效果較好，補償電路的設計較為簡單，連續導電模式與斷續導電模式在效能上也沒有太大的分別，而且架構本身內建了電流限幅功能。許多的例子也證實電流模式的控制方式可以提高電源供應器的效能。

（作者為NS美國國家半導體應用技術工程師）

延 伸 閱 讀

本文研究一種新型的高頻DC-DC開關功率變換器 。它採用電流模式移相PWM控制，在較大的負載範圍內實現了開關器件的零電壓軟開關（ZVS）。論文最後給出了實驗結果和兩個主要波形，並做出了詳細的說明。 相關介紹請見「 電流模式控制倍流整流器ZVS PWM全橋DC-DC變換器的研究」一文。 本文介紹一種新型的高頻DC/DC開關功率變換器，它採用電流模式移相PWM控制，在較大的負載範圍內實現了開關器件的零電壓軟開關(ZVS)，並給出了仿真主電路和主要波形。。你可在「 電流模式控制移相全橋零電壓軟開關(ZVS)DC/DC功率變換器」一文中得到進一步的介紹。 提供了一種新穎的寬輸入範圍、完全DCM、箝位元電流工作模式的Boost功率因數校正電路控制方法。該控制方法不存在Boost電路中二極體的反向恢復，從而提高了整個電路的效率，同時，該方案獲得了低的總諧波畸變（THD）和較高的功率因數（PF）。該方案適合於中低功率場合的應用。給出了具體的理論分析和一個100W的電路實驗資料。在「一種新穎的完全斷續箝位元電流模式功率因數校正電路」一文為你做了相關的評析。

市場動態

凌特公司日前推出一款電流模式的PWM降壓型DC/DC轉換器——LT1933，此轉換器帶有一個0.75A的內部電源開關，採用微型6引腳SOT-23封裝，輸入電壓範圍在3.6V至36V，適用於各種電源的調整，包括汽車電源、24V工業電源和非調整的牆上接口(wall adapter)。你可參考 「凌特推出電流模式PWM降壓型DC/DC轉換器」一文。 Intersil公司推出ISL6840至ISL6845系列單端電流模式PWM控制器，適用於電信、數位通信及伺服器應用中AC/DC和48V DC/DC轉換器。 你可在「Intersil推出系列高性能單電流模式PWM控制器」一文中得到進一步的介紹。 這款全新的轉換器採用具有更高散熱能力的小型CSP 封裝(大小只有4mm x 4mm)，內含100伏(V) 的啟動偏壓穩壓器、電流模式脈衝寬度調製(PWM) 控制器、1.5A 功率金屬氧化半導體場效應晶體管(MOSFET) 驅動器及高精度高頻率控制電路。.在「美國國家半導體推出適用於高效率電流模式電源供應器的高壓單端轉換器」一文為你做了相關的評析。