本文介紹開關電源不同控制方案的優缺點，包括電流模式控制、電壓模式控制及滯回模式控制，並提供開關穩壓器IC的選用建議。

電源主要是用來提供電子電路所需的電壓。當選擇電源時，應考量其最大輸出電流及允許的輸入電壓範圍，確保符合電路需求。另外，還要考慮電源的許多其他特性。開關電源的重要特性之一是其控制方式，包括控制迴路的設計。選用時，應了解不同調節方式的優缺點，以及相關的設計考量。

電流模式控制

大部分現代開關電源採用電流模式控制架構。此架構將輸出電壓與設定值之間的誤差，與隨電感電流變化的鋸齒波電壓斜坡進行比較。透過將輸出電壓與整合於開關穩壓器IC內部的運算放大器(亦稱誤差放大器)會處理輸出電壓的誤差信號，控制電路再據此決定何時結束目前的切換週期。隨後，系統會根據電感電流值以及輸出電壓與設定值的偏差，調整工作週期。這種方式為使用者帶來了一些優勢。控制系統可直接對電感電流的變化做出反應(例如在輸入電壓發生變化時)，而無需等待輸出電壓偏離設定值。利用這種類型的控制，可以輕鬆實現過流限制。電流模式控制最重要的優勢或許在於，其補償調整非常簡單。補償通常透過連接至補償接腳(VC)的兩個電容和一個電阻來設定，主要影響控制迴路的穩定性與反應速度。

圖1顯示了一個降壓控制器的控制迴路(標記為紅色)。補償元件以藍色顯示。部分電源轉換器IC將補償元件整合於晶片內部，無須外接元件，可簡化設計流程，但也會限制可選用的功率等級、電感及輸出電容規格。

 

圖1　降壓控制器的控制迴路(紅色)與補償元件(藍色)

電壓模式控制

除了電流模式控制，還有基於電壓模式的控制方式。在電壓模式控制下，輸出電壓以與電流模式類似的方式進行調節，但控制迴路不直接以電感電流作為控制依據。這種方式存在一些缺點。如果輸入電壓發生變化，控制系統只會在輸出電壓因這種變化而偏離設定值後做出反應。這可能導致控制行為出現延遲。若電壓模式穩壓器需要限制輸出電流，則必須另外加入限流功能。不過，這種調節類型最嚴重的缺點可能是補償設定更複雜。其通常需要3型補償，也就是必須為補償接腳適當選擇兩個電阻和三個電容。在這種控制方式下，當電源在連續導通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)與不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)之間切換時，控制迴路的穩定性也可能隨之改變，使部分應用的補償設計更加困難。這也是近年較少有新型電壓模式控制器推出的原因之一。圖2顯示了一個電壓模式穩壓器及其相應的3型補償。補償元件以藍色顯示。

 

圖2　電壓模式控制採用的Type III補償網路

滯回模式控制

除了電流模式控制和電壓模式控制之外，還有第三種控制方式。此類穩壓器會在回授路徑中使用滯回比較器，並根據輸出電壓相對於設定門檻的位置，調整開關動作與工作週期。此類穩壓器在原理上就不穩定，因此無需對其控制迴路進行補償。然而，此一優勢也被其他一些缺點所抵消。此外，滯回控制的開關頻率並非固定值，而是會隨輸入電壓、負載電流及其他條件而改變；其輸出電壓漣波通常也比採用電流模式或電壓模式控制的穩壓器更大。這種拓撲的簡化原理圖見圖3。

寫作

由於滯回控制有多種變形方式，且不同實作可能採用不同名稱，因此容易造成混淆。為改善滯回控制的缺點，業界也發展出多種改良方式，例如固定導通時間(Constant-On-Time, COT)控制。

 

圖3　滯回控制的輸出電壓漣波與免補償特性

不同電源控制方式各有其特性，開關穩壓器 IC 製造商也會採用不同電路設計，以改善各種控制方式的限制。對多數應用而言，工程師可先依據資料手冊所列的性能規格，並搭配電路模擬結果(例如使用LTspice®)，評估適合的開關穩壓器 IC，不必僅憑控制方式決定選用。

(本文作者為ADI電源管理專家)