การออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS: Switched-Mode Power Supply) การเลือกระหว่างโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง (CCM) และโหมดการนำไฟฟ้าไม่ต่อเนื่อง (DCM) เป็นสิ่งสำคัญที่ควรตัดสินใจเป็นลำดับแรก เพราะสิ่งที่คุณเลือกจะส่งผลต่อระบบ ประสิทธิภาพ ขนาดส่วนประกอบ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และพลวัตของวงจรควบคุม แม้จะมีแนวทางปฏิบัติแบบดั้งเดิมรองรับ แต่แอปพลิเคชันสมัยใหม่ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ IoT ที่ใช้ พลังงานจากแบตเตอรี่ไปจนถึงการประมวลผลประสิทธิภาพสูง ต้องการแนวทางที่ละเอียดถี่ถ้วน และมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

การวิเคราะห์ที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้จึงเป็นตัวช่วยในการสร้างเมทริกซ์การตัดสินใจเชิงปฏิบัติ เพื่อนำทางไปสู่การแก้ปัญหาทางวิศวกรรม

การกำหนดโหมดการทำงาน

ความแตกต่างหลักอยู่ที่พฤติกรรมของกระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำ โหมดการนำกระแสต่อ เนื่อง (Continuous Conduction Mode: CCM) กระแสในตัวเหนี่ยวนำจะไม่ลดลงเหลือศูนย์ ภายในรอบของการสวิตช์ วงจรจะรักษากระแสไฟฟ้าที่ไหลอย่างต่อเนื่องผ่านตัวเหนี่ยวนำและ ไดโอด (หรือ สวิตช์ซิงโครนัส) ในทางกลับกัน ในโหมดการนำกระแสไม่ต่อเนื่อง (Discontinuous Conduction Mode: DCM) กระแสในตัวเหนี่ยวนำจะค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์ในช่วงเวลาจำกัด ก่อนรอบถัดไปจะเริ่มต้น ส่งผลให้เกิดรอบการสวิตช์สามขั้นตอน ได้แก่ เวลาเปิด (on-time) เวลาปิด (off-time)  และเวลา idle time

ข้อได้เปรียบของโหมด CCM  คือ ประสิทธิภาพสูงที่กำลังไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น

ประโยชน์หลัก คือ การลดกระแส (RMS: Root-Mean-Square) และการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า

ที่กระแสโหลดปานกลางจนถึงสูง การทำงานในโหมด CCM มักให้ประสิทธิภาพเหนือกว่า ค่ารากกำลังสองเฉลี่ย (RMS) ของกระแสในตัวเหนี่ยวนำจะต่ำกว่าในกระแสเอาต์พุตเฉลี่ย เมื่อเทียบกับโหมด DCM ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า (I²R) ในตัวเหนี่ยวนำ สวิตช์ และความต้านทานได้โดยตรง ทำให้ CCM เป็นตัวเลือกที่เหนือกว่า เมื่อต้องการใช้งานที่มี ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูง เช่น ตัวแปลงจุดโหลดในเมนบอร์ดเซิร์ฟเวอร์ หรือ ระบบจ่ายไฟ ในรถยนต์

ประโยชน์รอง คือ การกรองสัญญาณเอาต์พุตง่ายขึ้น

กระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำที่ต่อเนื่องส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตแบบพีคต่อพีคมีค่าต่ำลง สำหรับค่าตัวเหนี่ยวนำที่กำหนด คุณลักษณะนี้ช่วยให้การเลือกตัวเก็บประจุเอาต์พุตง่ายขึ้น ลดค่าความจุที่ต้องการและขนาดทางกายภาพ นอกจากนี้ กระแสไฟฟ้าที่ลดลงยังส่งผลให้ การสูญเสียในแกนของตัวเหนี่ยวนำลดลงอีกด้วย

ข้อเสียเปรียบของ CCM คือ ความซับซ้อนและต้นทุน

• ความท้าทายของในระนาบครึ่งขวา (Right-Half-Plane Zero)  ข้อเสียที่สำคัญของ CCM ในวงจรบูสต์และบัค-บูสต์ คือ การปรากฏของศูนย์ในระนาบครึ่งขวา (RHPZ) ในฟังก์ชันถ่ายโอนควบคุม ไดนามิกนี้จำกัดแบนด์วิดท์และทำให้การออกแบบ เครือข่ายชดเชยซับซ้อนขึ้น ส่งผลให้การตอบสนองชั่วขณะช้าลง นักออกแบบ ต้องจัดการความถี่ครอสโอเวอร์อย่างระมัดระวังเพื่อรักษาเสถียรภาพ
• ความกังวลต่อชิ้นส่วนและต้นทุนที่เพิ่มขึ้น ตัวแปลง CCM ต้องการตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อรักษาความต่อเนื่องของกระแส ทำให้ขนาด และต้นทุนเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ เส้นทางฟรีวีลลิ่งต้องมีความแข็งแรง ส่วนการแก้ไข แบบซิงโครนัส แม้ช่วยลดการสูญเสียของไดโอด แต่ก็เพิ่มความซับซ้อนในการ ควบคุมและต้นทุน อีกทั้งการไหลของกระแสคงที่ยังนำไปสู่การสูญเสียจากการสวิตช์ ที่สูงขึ้นใน FET ภายใต้เงื่อนไขบางประการ

ข้อได้เปรียบของ DCM คือ เสถียรภาพโดยธรรมชาติและการตอบสนองที่รวดเร็ว

ไดนามิกการควบคุมที่เรียบง่าย

ในทางปฏิบัติ DCM มีข้อได้เปรียบด้านการควบคุมที่สำคัญ กล่าวคือ วงจรในภาค กำลังไฟฟ้าทำงานเหมือนระบบขั้วเดียว ปราศจาก RHPZ ที่ซับซ้อนซึ่งพบในวงจรบูสต์/บัคบูสต์ CCM ทำให้มีแบนด์วิดธ์การควบคุมที่สูงขึ้นและ ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงรวดเร็วเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันที่มีการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างกะทันหัน

เนื่องจากกระแสในตัวเหนี่ยวนำเริ่มต้นจากศูนย์ในแต่ละรอบ DCM จึงสามารถใช้แม่เหล็ก ที่มีขนาดเล็กกว่าและมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่าได้ มีประโยชน์ต่อความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า และต้นทุนต่อหน่วย ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และเมื่อ อยู่ในห้วง idle time ยังช่วยให้สามารถปิดไดโอดได้โดยไม่สูญเสียพลังงานในแบบที่ไม่ซิงโครนัส จึงลดความซับซ้อนของวงจรขับได้

ข้อเสียของ DCM คือ ค่ากระแสที่สูง

• กระแสสูงสุดและกระแส RMS เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ข้อจำกัดหลักของ DCM คือ ประสิทธิภาพต่ำในโหลดปานกลางถึงสูง เมื่อกระแสเอาต์พุตเพิ่มขึ้น กระแสเหนี่ยวนำ สูงสุดที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นอย่างไม่สมส่วน กระแสสูงสุดเหล่านี้ทำให้ค่า RMS สูงขึ้น อย่างมาก ส่งผลให้การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น อีกทั้งเพิ่มความเครียดให้ กับตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต ดังนั้น DCM จึงไม่เหมาะสำหรับการใช้งาน ที่ต้องการกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตสูง
• ความกังวลเกี่ยวกับ EMI และระลอกคลื่นที่เพิ่มขึ้น กระแสสูงสุดที่สูงและขอบกระแสที่คมชัดเป็นลักษณะเฉพาะของ DCM ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนฮาร์มอนิกที่เด่นชัดมากขึ้น ทำให้เกิดความท้าทาย ในการออกแบบตัวกรอง EMI มากขึ้น ระลอกคลื่นกระแส และระลอกคลื่น แรงดันเอาต์พุตที่เพิ่มขึ้น จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุเอาต์พุตที่มีคุณภาพสูงขึ้น หรือ ขั้นตอนการกรองเพิ่มเติม

การสร้างเมทริกซ์การตัดสินใจ (Decision Matrix)

ตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดไม่มีอยู่จริง ตัวเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับการใช้งาน เมทริกซ์การตัดสินใจที่ใช้งานได้จริงควรประเมินพารามิเตอร์หลักดังต่อไปนี้

1. โปรไฟล์กระแสโหลด ตัวแปลงทำงานที่โหลดสูงอย่างต่อเนื่อง (ควรเลือก CCM) หรือ ทำงานที่โหลดต่ำเป็นส่วนใหญ่โดยมีช่วงกระชาก (ควรเลือก DCM หรือ CCM ที่มีการสลับโหมด)
2. เป้าหมายประสิทธิภาพ อะไรคือสิ่งสำคัญกว่า ประสิทธิภาพที่โหลดเต็ม (CCM) หรือ ประสิทธิภาพที่โหลดต่ำ (DCM)ไอซีสมัยใหม่หลายตัวใช้โหมดการนำกระแสต่อเนื่อง แบบบังคับ (FCCM: Forced Continuous Conduction Mode) หรือ Burst Mode เพื่อผสานข้อดีเข้าด้วยกัน
3. ขนาดและต้นทุน มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ หรือ ต้นทุนแม่เหล็กที่สูงหรือไม่ (ควรเลือก DCM)
4. โทโพโลยี สำหรับตัวแปลง Buck converter จะไม่มี RHPZ ทำให้ CCM มีข้อได้เปรียบ ในช่วงที่กว้างกว่า สำหรับบูสต์ ความเสถียรของ DCM อาจมีความสำคัญที่กำลังไฟต่ำ
5. ข้อกำหนดการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลง โหลดต้องการการตอบสนองต่อการเปลี่ยน แปลงที่รวดเร็วสูงหรือไม่ (ควรเลือก DCM)

สรุป 

มุมมองแบบไบนารี่ระหว่าง CCM กับ DCM กำลังเปลี่ยนแปลงไป ปัจจุบันไอซีจัดการ พลังงานมีการนำโหมดปรับตัว โหมดความถี่แปรผัน หรือ โหมดไฮบริด (เช่น โหมดกระแส สามเหลี่ยม TCM: Triangular Current Mode) มาใช้มากขึ้น โหมดเหล่านี้สามารถเปลี่ยนสลับ ได้อย่างราบรื่นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้เหมาะสมที่สุดในช่วงโหลด ดังนั้นองค์ประกอบสุดท้าย ของเมทริกซ์การตัดสินใจ คือ ความสามารถของไอซีควบคุม งานของนักออกแบบสมัยใหม่จึงเป็น การใช้เมทริกซ์เพื่อกำหนดข้อกำหนดพื้นฐานแล้วเลือกสถาปัตยกรรมควบคุมที่สามารถใช้ ประโยชน์จากคุณลักษณะที่ดีที่สุดของทั้งสองโหมดการนำไฟฟ้าได้อย่างไดนามิก เพื่อแก้ปัญหา ความขัดแย้งด้วยการปรับตัวอย่างชาญฉลาด