Voltage Mode vs Current Mode for Forward Converter Topology SMPS

บทความนี้เป็นการอธิบายและเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างการควบคุมแบบ Voltage Mode และ Current Mode ในวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งโหมด (SMPS) ซึ่งการเลือกการทำงานให้กับแต่ละโหมดขึ้นอยู่กับผู้ออแบบต้องการ โดยความแตกต่างของโหมดการทำงานทั้ง 2 แบบคือสัญญาณที่ใช้ในการควบคุมการนำกระแสให้กับสวิตช์ เช่น ทรานซิสเตอร์ หรือมอสเฟต ในแต่ละรอบการทำงาน (Duty Cycle) ที่ไม่เหมือนกัน โดยในส่วน Voltage Mode (VMC) จะใช้สัญญาณรูปฟันเลื่อย (Ramp) ที่สร้างจากวงจรออสซิลเลตเตอร์ (Oscillator) มาเปรียบเทียบ แต่ Current Mode (CMC) จะใช้กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) มาเปรียบเทียบ

Voltage Mode Control (VMC) การในทำงานโหมดนี้ วงจรควบคุมจะมีรอบการทำงานเพียง Loop เดียว (Single Voltage Loop) โดยวงจรจะวัดค่าแรงดันเอาต์พุต (Vout) จากนั้นจะนำค่าที่ได้ไปเปรียบเทียบกับแรงดันอ้างอิง (Vref) ได้เป็นสัญญาณค่าความผิดพลาด (Verror) และสัญญาณนี้ จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับสัญญาณฟันเลื่อย (Ramp) ที่มีความถี่คงที่ ซึ่งในกรณีที่ Verror มากกว่า V_ramp จะทำให้สวิตช์ ON และเมื่อ Verror น้อยกว่า V_ramp สวิตช์ OFF

ข้อดี

• วงจรเรียบง่าย ไม่ต้องการวงจรสำหรับวัดกระแสภายในเพิ่มเติม
• ทนทานต่อสัญญาณรบกวน (Noise) เนื่องจากไม่ได้วัดกระแสที่อาจมีสัญญาณรบกวนสูงในช่วงที่สวิตช์ทำงาน

ข้อเสีย

• ตอบสนองช้า (Slow Transient Response) เมื่อโหลด (Load) หรือแรงดันอินพุต (Vin) เปลี่ยนแปลง โดยวงจรต้องรอให้แรงดันเอาต์พุต (Vout) เปลี่ยนแปลงก่อนจึงจะเริ่มปรับชดเชยการทำงานใหม่
• การชดเชยซับซ้อน (Loop Compensation) วงจรมี “Double Pole” จากวงจรฟิลเตอร์ LC ทำให้การออกแบบวงจรชดเชยเพื่อรักษาเสถียรภาพทำได้ยาก
• ไม่มีระบบจำกัดกระแสในตัว หากเกิดการลัดวงจรกระแสจะพุ่งสูงมาก ต้องเพิ่มวงจรป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection) แยกต่างหาก

Current Mode Control (CMC) ในโหมดนี้ วงจรควบคุมจะมีลูปการทำงาน 2 ลูปซ้อนกัน (Nested Loops) คือ ลูปนอกสำหรับควบคุมแรงดันเอาต์พุต (Voltage) และลูปภายในควบคุมกระแส (Current) โดยลูปนอก (Voltage Loop) จะวัดค่าแรงดันเอาต์พุต (Vout) มาเแรียบเทียบกับแรงดันอ้างอิง (Vref) ได้เป็นสัญญาณค่าความผิดพลาด (Verror) โดยสัญญาณค่าความผิดพลาดนี้ จะไม่ ถูกนำไปเทียบกับสัญญาณฟันเลื่อย แต่จะกลายเป็นระดับกระแสอ้างอิง (Current Reference) เมื่อวงจรเริ่มการทำงานจะทำให้สวิตช์ ON และจะมีการตรวจจับกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ (I_L) ควบคู่ไปด้วย ซึ่งกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น (เป็นลักษณะฟันเลื่อย) และเมื่อกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำมากกว่าระดับกระแสอ้างอิง (ที่มาจาก Verror) จะเป็นผลให้สวิตช์ OFF

ข้อดี

• การตอบสนองรวดเร็ว (Fast Transient Response) เมื่อโหลด (Load) ดึงกระแสเพิ่มหรือแรงดันอินพุต (Vin) มีการเปลี่ยนแปลง กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ (I_L) จะเปลี่ยนทันที (Current Loop) เพื่อปรับการทำงานภายในรอบนั้นๆ (Cycle-by-Cycle) โดยไม่ต้องรอการแปลงแปลงแรงดันทางด้านเอาต์พุต (Vout)
• มีระบบจำกัดกระแสในตัว (Inherent Current Limiting) เนื่องจากสัญญาณความผิดพลาด (Verror) เป็นตัวกำหนดค่ากระแสสูงสุดในแต่ละรอบการทำงาน จึงเป็นการจำกัดกระแสไปในตัวช่วยให้วงจรทำงานได้ปลอดภัยยิ่งขึ้น
• การชดเชยลูปการทำงานได้ง่าย ทั้งนี้ลูปกระแสภายในจะช่วยลด “Pole” ของฟิลเตอร์ LC ไป 1 ตัว ทำให้การชดเชยเสถียรภาพง่ายขึ้น (เหลือ Single Pole)
• เหมาะกับการขนาน (Current Sharing) ช่วยให้นำไปต่อหลายตัวแบบขนานกันได้ง่าย

ข้อเสีย

• วงจรซับซ้อนกว่า ต้องมีวงจรวัดกระแส (Current Sense) ซึ่งอาจเพิ่มต้นทุนและจุดที่จะเกิดการสูญเสีย
• ไวต่อสัญญาณรบกวน (Noise Sensitive) การวัดค่ากระแสในช่วงที่สวิตช์เริ่มนำกระแสอาจมีสัญญาณรบกวน (Noise) เพิ่มสูง
• ต้องมี Slope Compensation เพื่อป้องกันการออสซิลเลตของระบบการทำงาน (Sub-harmonic Oscillation) เมื่อค่าดิวตี้ไซเกิล (Duty Cycle) มากกว่า 50%

คุณสมบัติ	Voltage Mode Control (VMC)	Current Mode Control (CMC)
สัญญาณที่ใช้เปรียบเทียบ	สัญญาณ Ramp (Oscillator)	กระแส Inductor (I_L)
จำนวนลูปในการควบคุม (Loop)	1 Loop (Voltage)	2 Loops (Voltage + Current)
การตอบสนอง (Transient)	ช้า	เร็วมาก
การจำกัดกระแส (Current Limit)	ต้องเพิ่มวงจร	มีในตัว (Inherent)
การชดเชย Loop (Compensation)	ซับซ้อน (2 Poles)	ง่าย (1 Pole)
ความไวต่อสัญญาณรบกวน	ต่ำ	สูง

รูปที่ 3 แสดงวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง Forward Converter ควบคุมแบบ Voltage Mode จะสังเกตเห็นว่าที่ตำแหน่งออปแอมป์ที่ 1 (Error Amp) จะทำหน้าที่รับสัญญาณค่าแรงดันเอาต์พุต (VOUT) และแรงดันอ้างอิง (Reference) มาขยายเพื่อให้ได้เป็นสัญญาณความผิดพลาด (Ve) ต่อมาสัญญาณความผิดพลาดที่ได้จะถูกนำมาเปรียบเทียบกับสัญญาณฟันเลื่อย (VR) ที่ออปแอมป์ที่ 2 (PWM Comp) ซึ่งสัญญาณเอาต์พุตของออปแอมป์จะไปควบคุมขา R (R-S flip-flop) ให้เอาต์พุต Q เป็นลอจิก 0 เมื่อสัญญาณ Ve มีค่าน้อยกว่าสัญญาณ (VR) ส่วนที่ขา S ของ (R-S flip-flop) จะถูกกระตุ้นด้วยสัญญาณนาฬิกา (Clock) ให้เอาต์พุต Q เป็นลอจิก 1 ตลอดเวลา

ในรูปที่ 4 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง Forward Converter ควบคุมแบบ Current Mode (คล้ายกับรูปที่ 3) จะสังเกตเห็นว่าที่ตำแหน่งออปแอมป์ที่ 1 (Error Amp) จะทำหน้าที่รับสัญญาณค่าแรงดันเอาต์พุต (VOUT) และแรงดันอ้างอิง (Reference) มาขยายเพื่อให้ได้เป็นสัญญาณความผิดพลาด (Ve) เช่นเดิม จากนั้นสัญญาณความผิดพลาดจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับสัญญาณตรวจจับกระแส (Vs) ที่ออปแอมป์ที่ 2 (PWM Comp) ซึ่งสัญญาณเอาต์พุตของออปแอมป์จะไปควบคุมขา R (R-S flip-flop) ให้เอาต์พุต Q เป็นลอจิก 0 เมื่อสัญญาณ Vs มีค่ามากกว่าสัญญาณความผิดพลาด (Ve) ส่วนที่ขา S ของ (R-S flip-flop) จะถูกกระตุ้นด้วยสัญญาณนาฬิกา (Clock) ให้เอาต์พุต Q เป็นลอจิก 1 ตลอดเวลาเดียวกับการควบคุมแบบ Voltage Mode

ในรูปที่ 5 และรูปที่ 6 เป็นตัวอย่างของวงจรดีซี ทู ดีซี แบบ Buck Converter เมื่อต้องการออกแบบให้ทำงานแบบโหมดแรงดัน (Voltage Mode ในรูปที่ 5) และโหมดกระแส (Current Mode ในรูปที่ 6) จะสังเกตเห็นว่ารูปแบบการต่อออปแอมป์ให้ทำงานโหมดต่างๆ จะเหมือนกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง Forward Converter ในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 แต่ในส่วนของการต่อ Q1, Diode และ Inductor จะต่างกัน เนื่องจากเป็นการออกแบบมาสำหรับดีซี ทู ดีซี แบบ Buck Converter

รูปที่ 7 และรูปที่ 8 แสดงตัวอย่างไอซีที่ใช้งานทั่วไปและทำงานในโหมดแรงดัน (Voltage Mode) เบอร์ MAX1932 โดยในรูปที่ 7 จะเป็นบล็อกไดอะแกรมสำหรับโครงสร้างวงจรภายในไอซีและในรูปที่ 8 เป็นการต่อใช้งานไอซีสำหรับใช้งานจริงโดยจะรับแรงดันอินพุตที่ 2.7V-5.5V และให้แรงดันเอาต์พุตในช่วง 40V-90V

สำหรับรูปที่ 9 และรูปที่ 10 แสดงตัวอย่างไอซีที่ใช้งานทั่วไปและทำงานในโหมดกระแส (Current Mode) เบอร์ MAX669 โดยในรูปที่ 9 จะเป็นบล็อกไดอะแกรมสำหรับโครงสร้างวงจรภายในไอซีและในรูปที่ 10 เป็นการต่อใช้งานไอซีสำหรับใช้งานจริงโดยจะรับแรงดันอินพุตที่ 1.8V-5V และให้แรงดันเอาต์พุตเท่ากับ 5V กระแส 1A นั้นเอง

Reference

1. https://www.ti.com/lit/an/slua119/slua119.pdf
2. https://www.ti.com/lit/an/slyt710b/slyt710b.pdf
3. https://techweb.rohm.com/product/power-ic/dcdc/97/
4. https://techweb.rohm.com/product/opamps-arithmetic-circuits/transfer-function/3441/
5. https://www.pcb-hero.com/blogs/lickys-column/voltage-control-mode-current-control-mode-and-ripple-control-mode
6. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/current-mode-control-for-switching-regulators/
7. https://www.elektormagazine.de/news/voltage-and-current-mode-control-for-pwm-signal-generation-in-dc-to-dc-switching-regulators
8. https://www.mdpi.com/2079-9292/11/8/1256
9. https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/dc-to-dc-buck-converter-tutorial.html
10. https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/dcdc-controllers-use-averagecurrentmode-control-for-infotainment-applications.html
11. https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SSZTC38
12. https://www.powersystemsdesign.com/articles/current-mode-control-part-iii/34/10019
13. https://www.cnblogs.com/shangdawei/p/3312352.html
14. https://www.st.com/resource/en/application_note/an5497-introduction-to-the-buck-current-mode-with-the-bg474edpow1-discovery-kit-stmicroelectronics.pdf