电流模式DC-DC Converter 设计
宁静
内容头导览：｜何谓电流模式控制｜电流模式控制的优点与理由｜电感电流的检测方法｜Sub Harmonic 发振与Slope 补偿对
策｜电流模式DC-DC Converter 的电感设计实例｜电感与位相补正电路的设计实例｜结语｜
70年代问世的电流模式控制电源，至今已经超过二十年的历史，不过有关电流模式控制电源的动作原理与特性仍然不清楚。虽然部份设计者具备非常丰富的实务经验，不过电流模式控制电源属于高难度技巧，因此大部份的入门者都是仰赖摸索甚至视为畏途，然而对设电源设计者而言，最起码必需对电流模式与电压模式，两者的差异具备基本常识，同时能够判断主要用途为何。
电流模式控制电源具备以下优点:
‧线性调整(line regulation)非常优秀。
‧位相补偿非常简单，即使市在电流连续模式与电流非连续模式的境界点，它的动作仍然非常稳定。
‧由于恒时检测电感(inductor)电流，因此电流模式控制电源具备电流限制功能。
接着本文要探讨电流模式(mode)控制电源的结构与优缺点，同时辅以DC-DC 转换器(converter)设计实例作说明。 何谓电流模式控制
电源的性能例如输入的线性调整、输入线与负载的变动反应特性，基本上取决于归返回路(return loop)的结构。归返方式可分为两种，分别是:
(a).电流模式控制。
(b).电压模式控制。
‧有关电压模式控制
图1是电压模式控制的DC-DC Converter 电路实例，由图可知它是由单一的归返回路所构成，它的输出电压归返(return)至输入端(input side)，误差增幅器可将基准电压V ref ，与分压后的输出电压差分增幅，再将output 输入到脉冲宽变调器(PWM: Pulse Width Modulation)，PWM 比较器(comparator)可将增幅后的差分成份信号，与内部产生的锯齿状信号作比较，并将on duty D on 可变化，最后再输出(out put)PWM 信号。
图1 电压模式控制的DC-DC 变频器基本电路
‧有关电流模式控制
图2是电流模式控制的DC-DC转换器电路实例，由图可知它是在电压归返端追加设置可使电感电流归返的回路。在电流模式控制的DC-DC Converter ，流入电感的电流与流入PWM比较器可以控制on duty的电流都被当作控制信输入，换句话说除了输出电压之外电感电流也能归返，是它与电压模式最主要的结构差异。图2的电流模式控制的DC-DC Converter 的电感检测方法有三种，分别是:
(一).平均电流模式控制。
(二).固定ON/OFF时间控制。
(三).峰值(peak)电流模式控制。
图2 电流模式控制的DC-DC Converter基本电路
图3是平均电流模式控制的DC-DC Converter电路，由于输入电流与输入电压同相，因此它可以有效改善输入效率。
图3 平均电流模式控制的DC-DC Converter基本电路
图4是固定ON/OFF时间控制的电流模式DC-DC Converter电路，由图可知switching组件T r1(device)一旦turn on，
电感电流I L会大幅增加。如果归返后的电感电流比控制信号更大的话，switching组件会在固定时间turn off，之后switching 组件再turn on，结果造成switching频率产生变化，因此固定频率式的电流模式控制结构上非常简洁(simple)。
图4 固定ON/OFF时间控制Type的DC-DC Converter基本电路
峰值(peak)电流模式控制则是电源电路设计者经常使用的方式。图2的switching组件T r1一旦turn on的话，电感电流I L会大幅增加，如果电感电流I L与控制信号一致时，switching组件T r1会将固定周期的残余期间turn off。此外峰值(peak)电流模式控制Converter为获得优秀的线形调整特性，因此藉由输入电源内的交流ripple成份，去除听感频率带的噪讯(noise)。
不论是电流连续模式或是电流非连续模式，都具有相同的动作特性，所以即使负载范围非常宽广，两者仍然具备稳定动作的特征，而且补偿电路也很简单。
电感电流I L值亦即控制电压，是利用输出电压的归返信号控制，I L的检测信号则与控制电压V c作比较，被检测的I L直到与V c相同之前，PWM comparator的输出会持续维持「H」亦即T r1为ON状态，若I L与V c相同时就成为「L」，亦即T r1为OFF状态。
下个cycle则是从RF flip flop被固定频率的clock信号源复原(reset)后才开始动作，如此一来I L的峰值就可利用控制电压获得正确的控制，由此可知电流模式控制特性是由许多要素构成。
图5是峰值电流模式控制Converter的小信号动作方块图(block diagram)，该方块图分成两个归返回路，分别是外侧的电压归返回路与内侧的电流归返回路(loop)。电压归返回路的输入就是所谓的基准电压V ref，基准电压V ref会与输出电压作比较，它的误差信号会流入补偿器，补偿器则产生控制电压V c输入到电流归返回路，电流归返回路会根据控制电压V c决定电感电流I L的大小，而传达关数F2则随着DC-DC变频器的结构改变。
如图2所示在step down Converter的电感电流I L，会流入输出电容C out与负载电阻R load并联连接形成的合成阻抗(impedance)内，接着被转换成电压。上述的F2就是用来表示它的传达关数，F2的输出电压V out会被归返阻抗分压器(传达关数为)检测，不过为了与基准电压V ref比较因此再度折返。电流归返回路的Ti就是所谓的控制电压V c，控制电压V c会与被检测的电感电流比较，在某个gain(F M)会控制PWM信号的on duty。上述PWM信号会被送至可以产生输出电压V out，与电感电流I L的电力增幅段(F1与F2) ，由于电力增幅段包含switching组件与filter组件，因此电感电流I L通过检测gain 后会折返控制电压V c进行比较。
