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開關式 DC-DC 電壓轉換器（“穩壓器”）有兩個組成部分：控制器和功率級。 功率級含有開關元件，并將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。 控制器監控開關操作，以調節輸出電壓。 這兩個組成部分通過反饋回路相連，將實際輸入電壓與所需輸出比較，得到誤差電壓。

控制器是電源穩定和精度的關鍵，幾乎所有設計都使用脈寬調制 (PWM) 技術進行調節。 產生 PWM 信號有兩個主要方法：電壓模式控制和電流模式控制。 電壓模式控制法首先出現，但有不足之處，如對負載變化響應慢、回路增益隨輸入電壓變化，這促使工程師們開發出一種替代方法——電流模式法。

如今，工程師們可以有眾多使用這兩種控制技術的模塊可選。 這些產品運用的技術克服了前代產品的重大缺陷。

本文介紹開關穩壓器中用于 PWM 信號發生的電壓和電流模式控制技術，并解釋每個應用最適合的情形。

電壓模式控制

設計師設計電源時既可以采用分立元件（請參見 TechZone 中的《DC/DC 穩壓器：如何在分立式和模塊化設計之間選擇》）進行構建，也可以使用獨立控制器和功率元件或使用將這兩元件合并到單個芯片中的電源模塊來構建。

但是無論采用那種設計技術，基本上都需要采用固定頻率（通常如此）PWM 技術來進行電壓調節。 （之所以需要固定開關頻率，是因為它能抑制電源產生的電磁干擾 (EMI)。）

在電壓模式控制型穩壓器中，通過將控制電壓 (V_C) 施加到比較器一個輸入，然后將由時種產生的固定頻率鋸齒電壓（V_ramp，或 “PWM ramp”）施加到比較器的另一個輸入來產生 PWM 信號（參見圖 1）

圖 1：用于開關穩壓器的 PWM 發生器。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

PWM 信號的占空比與控制電壓成正比，并決定開關元件的導通時間的百分比，因此反過來也決定輸出電壓（參見 TechZone 文件《使用 PFM 改進開關 DC/DC 穩壓器的低載能效》。） 控制電壓源自實際輸出電壓和所需輸出電壓（或基準電壓）之差。

調制器增益 Fm 定義為引起占空比從 0 增大至 100 (F_m = d/V_C = 1/V_ramp) 的控制電壓變化。¹

圖 2 顯示了典型開關穩壓器的構建塊。 功率級由開關、二極管、電感器、變壓器（用于隔離式設計）以及輸入和輸出電容器組成。 功率級將輸入電壓 (VIN) 轉換為輸出電壓 (VO)。 穩壓器控制部分有一個誤差放大器，該放大器的兩個輸入分別連接基準電壓（即所需輸出電壓）和分壓器輸出。 分壓器從該輸出接受反饋跟蹤信號。 誤差放大器輸出提供控制電壓（V_C 或“誤差電壓”），形成 PWM 比較器的輸一個輸入。²

圖 2：電壓模式控制開關穩壓器的控制部分和功率級。 （感謝 Microsemi 提供資料）

電壓模式控制的優勢包括：單反饋回路使設計和電路分析更容易；使用大幅度斜坡波形提供了良好的噪聲裕量，從而實現穩定的調制過程；以及低阻抗功率輸出提供更好的交叉調節，從而實現多輸出供電。

但是這種技術也有一些明顯的不足。 例如，必須首先將負載變化檢測為一種輸出變化，然后由反饋回路校正，從而造成響應慢。 輸出濾波器使電路補償變得復雜，且回路增益隨輸入電壓變化，甚至會使這種補償變得更困難。

電流模式控制

在上世紀八十年代早期，工程師們為開關電壓穩壓器技術開發一種替代技術，克服了電壓模式控制法的不足。 稱之為電流模式控制，這種技術源自 PWM 斜坡，通過增加第二個回路來提供電感器電流反饋。 這種反饋信號由兩個部分組成：AC 紋波電流和 DC 電流或電感電流的平均值。 該反饋信號的放大形式被傳送到 PWM 比較器的一個輸入，而誤差電壓則構成其另一個輸入。 與電壓模式控制方法一樣，系統時鐘決定 PWM 信號頻率（圖 3）。

圖 3：采用電流模式控制的開關穩壓器。 這里的 PWM 斜坡從源自輸出電感器電流的信號產生。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

電流模式控制解決電壓模式控制響應慢的問題，因為電感器電流隨著輸入和輸出電壓差所決定的斜率而提升，從而因此能立即響應線路或負載電壓變化。 另一個優勢是，電流模式控制法消除了電壓模式控制法中輸入電壓不足引起的回路增益差異。

而且，由于在電流模式控制電路中，誤差比較器控制輸出電流而非電壓，因此輸出電感器對電路響應的影響就會降到最小，且更易進行補償。 相比電壓模式控制器件，這種電路也具較高的增益帶寬。

電流模式控制的其它好處包括，通過對來自誤差放大器的指令進行箝位，從而對固有逐脈沖電流進行限制，以及并接多個電源裝置時簡化負載共享。

人們曾經一度認為電流模式控制會讓電壓控制模式成為歷史。 但是，盡管如此，工程師們發現電流模式控制穩壓器為他們設計帶來了新的挑戰。

主要不足是電路分析難度加大，因為穩壓器的拓撲結構中現在包括了兩個反饋回路。 第二個復雜因素是，“內部”控制回路（帶有電感器電流信號）在占空比高于 50% 時不穩定。 另一項挑戰是，由于控制回路源自電感器輸出電流，因此來自功率級的諧振會在內部控制回路中產生噪聲。³

將電流模式控制穩壓器的占空比限制在 50% 以內時會嚴重限制設備輸入電壓。 幸運的是，不穩定性問題可以通過在內部回路中“注入”少量斜率補償來解決。 這種技術能確保在所有 PWM 占空比下都能穩定運行。

斜率補償通過從誤差放大器輸出提取鋸齒電壓波形（運行在時鐘頻率下）來實現。 此外，補償斜率電壓可以直接加到電感器電流信號上（圖 4）。

圖 4：采用斜率補償的電流模式控制穩壓器。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

數據分析顯示，為保證電流回路的穩定性，補償斜坡的斜率必須大于電流波形下降斜率的一半。⁴

市面上有多種電流模式控制穩壓器在售。例如Microsemi 提供的 NX7102 就是采用電流模式控制的同步降壓穩壓器。 該芯片可接受 4.75 至 18 V 的輸入范圍，并提供低至 0.925 V 的可調輸出。最大輸出電流為 3 A，且峰值能效在 90% 到 95% 之間，具體取決于輸入電壓。

就其本身而言，Texas Instruments 提供了廣泛的電流模式控制穩壓器選擇。 TPS63060 就是一例，這是一個同步升壓型 2.4 MHz 穩壓器，能從 2.5 到 12 V 電源提供 2.5 至 8 V 輸出（在高達 1 A 電流時）。 該器件能效高達 93%，針對如便攜式計算機和工業計量設備等移動應用。

STMicroelectronics 也供應各種各樣的電流模式控制器件，包括 STBB2。 這是一個同步升壓型 2.5 MHz 穩壓器，從 2.4 到 5.5 V 電源提供 2.9 至 3.4 V 的輸出。 該器件能以 90% 的能效供應高達 800 mA 的電流，它采用球柵陣列 (BGA) 封裝。

電壓模式起死回生

隨便看一下一些半導體廠商的產品目錄即可發現，電壓模式控制穩壓器并沒有消失。 之所以這樣，是因為這些器件以前各代產品的不足已經通過使用一種稱為電壓前饋的技術解決了。

電壓前饋是通過修正電壓與輸入電壓成正比的 PWM 斜坡波形的斜率來實現的。 這樣提供了一種一致的糾正型占空比調制，且獨立于反饋回路。

這種技術改進了對線路和負載瞬變的電路響應，同時消除了對存在輸入濾波器的敏感性。 電壓前饋同時穩定了回路增益，以使其不再隨輸入電壓變化。 稍有不足的是，某種程度上增加了電路復雜性，因為需要一個傳感器檢測輸入電壓。

各大元件廠商提供了眾多電壓模式控制穩壓器供工程師選擇。 例如，Maxim 的產品組合中就有多種電壓模式控制器件，包括 MAX5073。 這款開關穩壓器是一款升壓型 2.2 MHz 器件，工作在 5.5 到 23 V 電源下，并能產生 0.8 到 28 V 輸出。在升壓模式下，該穩壓器能夠提供 2 A 電流。

類似的，Intersil 提供的 ISL9110A 也是一款采用電壓控制的 2.5 MHz 開關穩壓器。 該器件由一個 1.8 到 5.5 V 輸入電壓驅動，并以 1.2 A 電流提供 3.3 V 輸出，能效達 95%。

就其本身而言，International Rectifier 提供了 IR3891，這是一款具有 1 至 21 V 寬輸入范圍的電壓模式控制升壓穩壓器，輸出范圍為 0.5 到 18.06 V。該芯片的開關頻率范圍為 300 KHz 到 1.5 MHz，且能提供高達 4 A 的電流。IR3891 具有兩個輸出。

技術的選擇

基本上所有開關穩壓器均采用 PWM 控制技術來實現開關元件。 PWM 信號既可以從與運行在時鐘頻率下的鋸齒波形相結合的控制電壓（源自從基準電壓提升的輸出電壓）產生，也可以通過增加第二個回路將電流控制模式的電感電流饋回的方式來產生。 通過采用象用于電壓控制設計的電壓前饋和用于電流模式裝置的斜率補償之類技術，現代器件已經完全克服了原有設計的主要不足。

正是由于這些創新，使得工程師們對這兩種拓撲類型都有擁有廣泛的選擇。 當寬輸入線路或輸出負載變化可能時、或處于輕負載條件下（當電流模式控制斜坡的斜率太淺，不足以實現穩定的 PWM 操作時）、或在噪聲應用中（功率級產生的噪聲需要找到方式回到電流模式控制反饋回路中），以及為實現良好的交叉調節需要多個輸出電壓時，推薦使用電壓模式控制開關穩壓器。

對于提供的輸出是高電流或較高電壓，需要在特定頻率具有最快的動態響應，輸入電壓變化受限，以及元件成本和數量必須降到最小的應用，推薦使用電流模式控制器件。

如需詳細了解本文討論的零件，請使用文中提供的鏈接訪問 Digi-Key 網站上的產品頁。

參考文獻：

1. 《理解并應用電流模式控制理論——固定頻率、連續導通模式運行實用設計指南》，作者 National Semiconductor 的 Robert Sheehan，2007 年 10 月。

2. 《電壓模式、電流模式（和磁滯控制）》作者 Microsemi 的 Sanjaya Maniktala，TN-203，2012 年。

3. 《開關電源拓撲電壓模式對電流模式》，作者 Unitrode 的 Robert Mammano，DN-62，1994 年 6 月。

4. 《電流模式轉換器的建模、分析與補償》，Texas Instruments，U-97，1999。