在 DC-DC 切換式穩壓器中產生 PWM 訊號的電壓和電流模式控制

切換式 DC-DC 電壓轉換器（穩壓器）含有兩個元件：控制器和功率級。 功率級含有切換元件，能將輸入電壓轉換成所需的輸出。 控制器會監控切換作業，調節輸出電壓。 兩者由回授迴路連結，會將實際的輸出電壓與所需的輸出進行比較，得到誤差電壓。

控制器是電源供應器保持穩定和精密的關鍵，幾乎所有的設計都採用脈寬調變 (PWM) 技術進行調節。 產生 PWM 訊號的方法主要有兩種：電壓模式控制和電流模式控制。 電壓模式控制技術較早發明，但具有缺點，例如回應負載變化緩慢和迴路增益會隨著輸入電壓改變等，因此激勵工程師開發以電流為基礎的替代方法。

目前工程師已經能選用多款採用這兩種控制技術的電源模組。 這些產品整合了技術，能克服之前產品的主要缺失。

本文將說明在切換式穩壓器中產生 PWM 訊號的電壓和電流模式控制技術，並說明各項應用的最佳用途。

電壓模式控制

設計人員若要打造電源供應器，可選擇離散式元件（參閱 TechZone 文章《DC/DC 穩壓器：如何在離散式和模組化設計中選擇 》）、個別控制器和功率元件，或是在單晶片上整合兩者的電源供應器模組。

但無論使用何種技術，調節功能都非常有可能會採用通常為固定頻率的 PWM 技術。 （偏好採用恆定切換頻率，因為可限制電源供應器產生的電磁干擾 (EMI)。）

在電壓模式控制的穩壓器中，PWM 訊號的產生係透過將控制電壓 (V_C) 施加到比較器的其中一個輸入，以及將時脈產生的固定頻率鋸齒形電壓（V_ramp 或 PWM 斜波）施加到另一個輸入（圖 1）。


圖 1：切換式穩壓器的 PWM 產生器。 （資料來源：Texas Instruments）

PWM 訊號的工作週期與控制電壓成比例，並可決定切換元件的導通時間百分比，進而決定輸出電壓（請參閱 TechZone 文章《使用 PFM 提升切換式 DC/DC 穩壓器在低負載時的效率》）。 控制電壓係由實際輸出電壓以及所需輸出電壓（或參考電壓）之間的差異求得。

調變器增益 Fm 的定義為工作週期從 0% 提高到 100% 時，控制電壓的改變 (F_m = d/V_C = 1/V_ramp)。¹

圖 2 顯示典型切換式穩壓器的建構模塊。 功率級含有開關、二極體、電感、變壓器（用於隔離式設計），以及輸入／輸出電容。 此功率級會將輸入電壓 (VIN) 轉換成輸出電壓 (VO)。 至於穩壓器的控制部分，在一個輸入端含有誤差放大器和參考電壓（等於所需輸出），另一個輸入端則有來自分壓器的輸出。 分壓器的饋入來自於輸出的回授軌跡。 誤差放大器的輸出會提供控制電壓（V_C 或「誤差電壓」），形成 PWM 比較器的一個輸入。²


圖 2：電壓模式控制切換式穩壓器的控制部分和功率級。 （資料來源：Microsemi）

電壓模式控制的優點包括：單一回授迴路，能讓設計和電路分析更簡易；使用大振幅斜波波形提供良好的雜訊容限，達到穩定的調變流程；低阻抗功率輸出能為多重輸出供應提供更好的交叉調節。

然而此技術也有明顯的缺點。 例如，負載的變更必須先感測成輸出變更，然後再由回授迴路進行修正，因此導致反應緩慢。 輸出濾波器會讓電路補償複雜化，而且迴路增益會隨著輸入電壓改變，因此會造成電路補償更加困難。

電流模式控制

在 1980 年代初，工程師就提出交替切換式穩壓器技術，能解決電壓模式控制方法的缺失。 此技術稱為電流模式控制，藉由新增第二個迴路回授電感電流，取得 PWM 斜波。 此回授訊號由兩部分組成：AC 漣波電流以及 DC 或電感電流平均值。 放大後的訊號會傳送到 PWM 比較器的一個輸入，另一個輸入則是誤差電壓。 如同電壓模式控制方法，系統時脈會決定 PWM 訊號頻率（圖 3）。


圖 3：電流模式控制切換式穩壓器。 在此，PWM 斜波係由輸出電感電流所衍生的訊號產生。 （資料來源：Texas Instruments）

電流模式控制能解決電壓模式控制的緩慢回應問題，因為電感電流會隨著輸入和輸出電壓之間的差異所決定的斜率而上升，因此能立即因應線路或負載電壓的改變。 另一項優點在於，電流模式控制的迴路增益並不會隨著輸入電壓而改變，這是電壓模式控制方法的一項缺點。

此外，由於在電流模式控制電路內，誤差放大器會掌控輸出電流而非電壓，因此輸出電感對電路響應的影響會降至最低，因此更容易進行補償。 比起電壓模式控制元件，此電路的增益頻寬也較高。

電流模式控制的其他優點包括：內建逐脈衝限流（箝制來自誤差放大器的命令）以及在並聯多重電源單元時簡化負載分擔。

這樣看來，電流模式控制似乎能將電壓模式控制埋入歷史洪流中。 然而，即便較慢出現，但工程人員也發現電流模式控制穩壓器本身也有設計上的挑戰。

主要的缺點就是不易進行電路分析，因為穩壓器的拓撲含有兩個回授迴路。 第二個障礙就是「內部」控制迴路（承載電感電流訊號）在工作週期高於 50% 時會出現不穩定性。 還有另一個挑戰，因為控制迴路係由電感輸出電流衍生，因此功率級的諧振會將雜訊帶入內部控制迴路。³

將電流模式控制穩壓器的工作週期限制在 50% 以內，會嚴重限制元件的輸入電壓。 幸好，只要在內部迴路中「引進」少量斜率補償，就可解決不穩定性的問題。 此技術可確保各種百分比的 PWM 工作週期都可穩定操作。

在誤差放大器的輸出中減去鋸齒形電壓波形（以時脈頻率運作），就可達到斜率補償。 或者，也可將斜率補償電壓直接加入到電感電流訊號中（圖 4）。


圖 4：含斜率補償的電流模式控制穩壓器。 （資料來源：Texas Instruments）

數學分析顯示，為了確保達到電流迴路穩定性，補償斜波的斜率必須大於電流波形向下斜率的一半以上。⁴

目前市售相當多種電流模式控制穩壓器。以Microsemi 為例，就提供 NX7102 採用電流模式控制的同步降壓穩壓器。 此晶片可接受 4.75 至 18 V 的輸入範圍，提供低至 0.925 V 的可調整輸出，最大輸出電流為 3 A，峰值效率介於 90 至 95%（視輸入電壓而定）。

Texas Instruments 針對其零件提供多種電流模式控制穩壓器。 TPS63060 就是一個例子，此同步降壓／升壓 2.4 MHz 穩壓器，能從 2.5 至 12 V 電源提供 2.5 至 8 V（高達 1 A）輸出。 此元件提供高達 93% 的效率，以行動應用為目標，如可攜式電腦和工業用儀表設備。

STMicroelectronics 也有提供一系列電流模式控制元件，包括 STBB2。 此同步降壓／升壓 2.5 MHz 穩壓器能從 2.4 至 5.5 V 輸入提供 2.9 或 3.4 V 輸出。 此元件能在 90% 效率下供應高達 800 mA，並提供球柵陣列 (BGA) 封裝。

電壓模式重現

觀察有些矽元件廠商的產品目錄即可發現，仍有提供電壓模式控制穩壓器。 原因在於，前一代元件的主要缺點已經透過稱為電壓前授的技術而解決。

能達成電壓前授，是因為透過與輸入電壓成比例的電壓修改 PWM 斜波波形的斜率。 如此一來，即可提供對應和修正的工作週期調變，而不受回授迴路影響。

此技術能改善電路對線路和負載暫態的響應，同時消除對輸入濾波器的敏感性。 電壓前授技術亦可穩定迴路增益，如此一來就不會隨著輸入電壓而波動。 這有個小缺點，因為需要感測器偵測輸入電壓，因此會稍微增加電路的複雜性。

工程人員能選用主要供應商的多種電壓模式控制穩壓器。 例如 Maxim 就提供不少電壓模式控制元件系列產品，包括 MAX5073。 此切換式穩壓器是降壓／升壓 2.2 MHz 元件，能從 5.5 至 23 V 電壓操作，產生 0.8 至 28 V 輸出。在降壓模式中，此穩壓器可提供高達 2.0 A。

Intersil 也推出 ISL9110A 2.5 MHz 切換式穩壓器，採用電壓模式控制。 此元件能在 1.8 至 5.5 V 輸入電壓範圍內操作，在高達 1.2 A 和 95% 效率下提供 3.3 V 輸出。

International Rectifier 針對其零件，提供 IR3891 電壓模式控制降壓穩壓器，具有 1 至 21 V 的寬廣輸入範圍，輸出範圍介於 0.5 至 18.06 V。此晶片的切換頻率範圍介於 300 KHz 至1.5 MHz，可供應高達 4 A。IR3891 具有兩個輸出。

技術選擇

fv 幾乎所有切換式穩壓器的切換元件都採用 PWM 控制。 PWM 訊號的產生方法有兩種，包含電壓模式和電流模式穩壓器，前者從控制電壓（從參考電壓減去輸出電壓得到）結合時脈頻率運作的鋸齒狀波形產生，後者則是透過添加第二個迴路，將電感電流回授產生。 現代化元件針對電壓控制設計採用電壓前授等技術，並且針對電流模式控制設計使用斜率補償，明顯克服舊有設計的主要缺點。

這些創新成果，能讓工程人員在兩種拓撲中享受多種元件選擇。 建議使用電壓模式控制切換式穩壓器的情況如下：具有寬廣的輸入線路或輸出負載可變動、輕度負載下（電流模式控制的斜波斜率太淺，無法達到穩定的 PWM 操作）、有雜訊的應用（功率級的雜訊會影響電流模式控制回授迴路）、需要具備良好交叉調節的多重輸出電壓。

建議使用電流模式控制元件的情況如下：電源輸出為高電流或超高電壓的應用、需要在特定頻率下達到快速動態響應、輸入電壓波動受限、必須達到最低成本和元件數的應用。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所示之連結進入 DigiKey 網站的產品資訊頁面。

參考資料：

1. 《瞭解和運用電流模式控制理論 - 固定頻率、連續導通模式操作的實際設計指南》，Robert Sheehan。National Semiconductor，2007 年 10 月。
2. 《電壓模式、電流模式（和磁滯控制）》，Sanjaya Maniktala，Microsemi，TN-203，2012 年。
3. 《切換式電源供應器拓撲電壓模式與電流模式的比較》，Robert Mammano，Unitrode，DN-62，1994 年 6 月。
4. 《電流模式轉換器的模型、分析與補償》，Texas Instruments，U-97，1999 年。