探討在DC/DC變換器的恒定導(dǎo)通時間控制方案

本文探討了在DC/DC變換器中，為什么恒定導(dǎo)通時間控制（COT）比傳統(tǒng)電流模式控制方式更加有效。圖 1為DC/DC變換器的傳統(tǒng)電流模式架構(gòu)圖，它采用的方式是將采樣電流（紅色部分）與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出（藍(lán)色部分）進(jìn)行比較，以生成控制MOSFET的PWM脈沖。

在傳統(tǒng)控制架構(gòu)中，有兩種因素會影響輸出負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

第一因素是誤差放大器。在電壓反饋環(huán)路中，補償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大器充當(dāng)了低通濾波器的作用，從而拉長了變換器對輸出電壓變化的響應(yīng)時間。

圖 1：電流模式DC/DC架構(gòu)圖

圖 2 顯示了誤差放大器延遲對環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)的影響。在這個示例中，負(fù)載電流從0A快速上升到20A，從底部曲線可以看到，VOUT在恢復(fù)之前出現(xiàn)了明顯的下降。綠色曲線為誤差放大器的輸出曲線，在最大下沖發(fā)生后的兩個周期內(nèi)，它才達(dá)到最大值。此種延遲由誤差放大器的低通濾波器引起。

圖 2：誤差放大器延遲對輸出下沖的影響

第二個因素為內(nèi)部時鐘引起的開關(guān)周期延遲，內(nèi)部時鐘將脈寬調(diào)制（PWM）控制反饋至輸出MOSFET。在連續(xù)電流控制工作模式下，由于其控制頻率是固定的，所以MOSFETs的導(dǎo)通時序由時鐘周期決定。即使采用PWM占空比控制上管MOSFET的導(dǎo)通時間，在下一個時鐘周期開始之前它也無法再次導(dǎo)通。一旦上管MOSFET關(guān)斷，負(fù)載電流會從0A上升至20A（見圖3）。誤差放大器的輸出會快速上升來響應(yīng)，但上管MOSFET必須等到下一個時鐘周期才會打開。在這期間，輸出電壓持續(xù)下降。陰影區(qū)域為負(fù)載電流與電感電流的差值區(qū)域，這部分不足的電流必須由輸出電容提供并會引起輸出電壓下沖。

圖 3：內(nèi)部PWM時鐘周期對輸出下沖的影響

與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比，恒定導(dǎo)通時間控制（COT）結(jié)構(gòu)則非常簡單，它通過反饋電阻來采樣輸出電壓（見圖4），然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進(jìn)行對比，生成固定的導(dǎo)通時間脈沖來導(dǎo)通上管MOSFET。當(dāng)導(dǎo)通時間脈沖到期后，上管MOSFET關(guān)斷（且下管導(dǎo)通）。

圖 4：恒定導(dǎo)通時間DC/DC架構(gòu)

COT架構(gòu)無需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補償網(wǎng)絡(luò)，變換器的設(shè)計更加簡單，因為元器件變得更少，也無需花費很多時間來調(diào)整補償值?？煽康腃OT工作模式要求反饋節(jié)點上的輸出電壓斜坡足夠大以保證無抖頻工作。因此，斜坡應(yīng)大于任一隨機系統(tǒng)中反饋輸入的噪音。 如果輸出電容具有足夠的等效串聯(lián)電阻(ESR)，則由該ESR產(chǎn)生的反饋斜坡電壓主導(dǎo)電感的較小串聯(lián)電阻。在這種情況下，一個簡單的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)就足夠了 （參見圖5），通?？捎糜?a target="_blank">電解電容或POSCAP電容。

圖 5：來自輸出電容ESR的COT反饋輸入斜坡電壓

圖 6：來自電感斜坡轉(zhuǎn)換電路的COT反饋輸入斜坡電壓

如果首選為低ESR的陶瓷電容，還可以使用額外的“斜坡發(fā)生器”電路來生成所需的反饋斜坡電壓 （參見圖6）。

需要注意的是，反饋電壓會直接輸入到比較器中，以驅(qū)動定時控制塊，沒有誤差放大器或內(nèi)部固定頻率會導(dǎo)致延遲從而影響瞬態(tài)響應(yīng)時間。

COT控制架構(gòu)使用參考比較器輸出來觸發(fā)定時脈沖發(fā)生器，而不是使用固定頻率的時鐘。脈沖出現(xiàn)的頻率由輸出負(fù)載電流決定。在具有穩(wěn)定輸出電流要求的連續(xù)導(dǎo)通模式下，COT控制以近似固定的頻率運行。然而，在負(fù)載電流由低向高的跳變過程中，COT脈沖發(fā)生器輸出高頻脈沖，以最大限度地減少輸出下沖。一旦達(dá)到正常的輸出電壓，脈沖頻率降低到維持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出電壓所需的水平。

另外，COT控制的瞬態(tài)響應(yīng)時間比傳統(tǒng)的電壓或電流模式控制快兩倍。較低的下沖使它更容易滿足負(fù)載電壓公差規(guī)格。這也意味著，與電壓或電流模式變換器相比，基于COT控制模式的變換器需要更少的輸出電容便能滿足給定的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，既節(jié)省了空間尺寸又節(jié)約了成本。

圖 7為電流控制與COT控制模式的對比圖。對于相同的負(fù)載電流升壓變換器來講，COT控制具有更快的切換速度，減小了電感與輸出電流之間的間隙，從而進(jìn)一步減小輸出下沖。

圖 7：對負(fù)載跳變的瞬態(tài)響應(yīng)對比圖（電流模式對比COT控制模式）

COT 變頻控制結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是：在輕載時，脈沖頻率得到了進(jìn)一步的降低，可以保持較高的效率。因為只有當(dāng)輸出負(fù)載需要時才會發(fā)出脈沖，所以與具有永久開關(guān)時鐘的電壓或電流模式架構(gòu)相比，可以實現(xiàn)更小的內(nèi)部開關(guān)損耗。這意味著基于COT的DC/DC變換器在輕載或空載條件下具有非常高的效率，是電池供電設(shè)備/具有省電模式設(shè)備的最佳選擇。

綜上所述，COT控制由于其瞬態(tài)響應(yīng)速度快、效率高、元件少、設(shè)計簡單等優(yōu)點，完勝傳統(tǒng)電流和電壓模式控制方法解決方案。
編輯：hfy