内部电流模式控制

自从二十世纪七十年代后期开始，电流模式的控制方法便被电源供电采用。虽然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操作方式及特性。大部分工程师只知道开关式电源供应器都采用较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。他们有这种想法，实在令人非常惋惜，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，才真正明白在什么情况下应采用何种控制结构。下文会深入讨论电流模式的控制方法。

图1：电流模式控制器的控制电路结构框图

电流模式控制系统除了设有电压反馈电路之外，还设有电感电流反馈环路。电流模式控制转换器利用电感电流以及输出电压作为误差输入信号，调节PWM（脉冲宽度调制器）。图1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。

在电感电流相等于控制电压前，PWM比较器会一直输出高电平均（功率开关开启）。一旦两者处于同一水平，PWM比较器便会降低输出，并将开关关闭，然后利用固定频率时钟信号设定RS锁定值，从面启动下一周期的操作。按照这个操作方式，利用控制电压便可准确控制电感器的峰值电流。表面上，因为电流环路的出现，电感器充当一个电流源，并表现出许多电流模式控制系统的特色。

虽然图2的电路简图清楚显示占空比是由电感电流及输出电压得到，但我们很难估算占空比对转换器的性能有何影响。深入分析小信号的表现有助我们对电流模式控制的重要特性建立初步的了解。

图1显示的是峰值电流模式控制的小信号结构框图。这个控制电路设有两个反馈环路：外侧的反馈环路(TV)负责将电压信息送回，而内侧的反馈环路(Ti)则负责将电流信息送回。电压环路的反馈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。

电流环路(Ti)是电流模式控制结构所独有的。控制电压(VC)输入电流环路之后，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。这个占空比的信号会传送至功率电源级(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通过感测增益Ri将电感电流回馈至电流环路，以便再与VC比较。

若电流环路已关闭，便会出现以下看似矛盾的情况：第二级两个L及COUT元件产生单个拐点。我们可以利用反馈理论合理解释这种现象。利用反馈电路控制电感电流，其实际效果有点像利用电流源为输出电容器及负载馈送电流。因此，若频率低于电流环路的带宽，电流模式功率级只有一个拐点由COUTIIRLOAD阻抗决定。

图2：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时被感测)。

电流环路不会只在低频率操作时才对功率级有影响。根据有关电流环路的小信号电流干扰的分析显示，电流环路与离散时间取样数据系统极为相似。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，而理论上这是电源供应器带宽的极限。

波幅(dB)频率(Hz)

相位(°)频率(Hz)

图3：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性能。电流模式控制的主要优点是极佳线路调整性，简单的补偿电路设计较，非常好的大负载变化范围，固有每一周期的电流限流。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1的功率级)。以电流模式结构来说，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。相比之下，若采用电压模式结构，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。

电流模式结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拐点，但相较之下，电压模式结构则有双拐点(参看图3)，使电流模式结构会出现额外的90°相位漂移。出现这个不同现象的原因非常简单，因为电流环路负责监察及控制电感电流。以降压转换器为例来说，功率级可以执行近似电流源的功能，可为并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拐点。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，功率级会产生双拐点。由于功率级在低频操作时只有一个拐点，因此有关补偿只需直流增益、单个滚降拐点及相位抬升的一个零点(I类或滞后补偿)，而且只需利用误差信号放大器、单个电容器及电阻器便可轻易作出补偿。以简单的补偿电路来说，我们可以将补偿零放在恰当的位置，让补偿零点扺销功率级的拐点，以便TV的开环反应可以达到–20dB/Dec的滚降。

补偿电路通常设于功率级附近，以确保可以发挥理想的动态性能。但每当转换器在CCM(连续导电模式)及DCM(非连续导电模式)之间切换时，功率级的频率反应也会随着改变。若采用CCM，电感电流是连续的，而且不会接近零。但若采用DCM，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CCM转为DCM。若采用电压模式的控制，功率级会在CCM与DCM之间的边界，有2个和1个拐点的变化。对于第一级及次级的系统来说，需要优化的补偿电路极为不同。电流模式结构的主要优点是无论采用DCM还是CCM，功率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DCM及CCM驱动较大负载时，其动态性能不会有大幅度的波动。

但电流环路的另一优点是内置的电流限幅，而且无需为感测电感电流而额外加设电路，因为电流反馈环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的，因为电流模式控制系统本身就采用多环路的结构。但电流环路可将电感器变为受控电流源，明白这一点便有助我们精简这种控制电路的设计，也令我们对电流模式结构有一个较为感性的认识。电流反馈环路有一些独特的优点是电压模式控制器所没有的。例如，线路调整效果较好，补偿电路的设计较为简单，CCM与DCM在性能上也没有太大的分别，而且结构本身内置了电流限幅功能。许多的例子显示电流模式的控制方式可以提高电源供应器的性能。