三種DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)

本報(bào)告描述了三種 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流模式、電流模式-恒定導(dǎo)通時(shí)間和立锜高級(jí)恒定導(dǎo)通時(shí)間拓?fù)?。解釋了三種拓?fù)渲g的差異，并針對(duì)最終應(yīng)用列出了每種類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。

一、簡(jiǎn)介

本報(bào)告描述了三種 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌弘娏髂Ｊ?、電流模?恒定導(dǎo)通時(shí)間和立锜高級(jí)恒定導(dǎo)通時(shí)間拓?fù)洹＝忉屃巳N拓?fù)渲g的差異，并針對(duì)最終應(yīng)用列出了每種類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。

2. 電流模式降壓轉(zhuǎn)換器

電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的框圖如圖 1 所示。

圖 1. 電流模式框圖

在經(jīng)典電流模式控制中，固定頻率時(shí)鐘激活上部 MOSFET。誤差放大器查看反饋信號(hào)和參考電壓之間的差異。電感電流的上升斜率與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，當(dāng)電感電流超過(guò)誤差放大器電壓時(shí)，上部 MOSFET 關(guān)斷。然后電感電流流過(guò)下部 MOSFET，系統(tǒng)等待下一個(gè)時(shí)鐘脈沖。斜坡補(bǔ)償斜坡被添加到電流斜坡，以避免高占空比下的次諧波振蕩并提高噪聲性能。在電流模式轉(zhuǎn)換器中，環(huán)路帶寬（F BW） 由誤差放大器輸出端的補(bǔ)償元件設(shè)置，并限制在遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的范圍內(nèi)。電流模式穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)操作的波形如圖 2 所示。

圖 2. 電流模式穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)波形

固定時(shí)鐘使電流模式控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載突然變化的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，尤其是在低占空比應(yīng)用中，因?yàn)橐坏┥喜?MOSFET 被關(guān)閉，它會(huì)一直保持關(guān)閉狀態(tài)，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)轉(zhuǎn)換器試圖滿(mǎn)足新的負(fù)載需求時(shí)，有限的帶寬也限制了可以實(shí)現(xiàn)的可用占空比。在表現(xiàn)出快速負(fù)載階躍的應(yīng)用中，電流模式轉(zhuǎn)換器將表現(xiàn)出相對(duì)較大的輸出電壓波動(dòng)。階躍負(fù)載期間的電壓暫降 ΔV 與負(fù)載階躍幅度和速度、輸出電容和轉(zhuǎn)換器帶寬有關(guān)。為了確保電流模式轉(zhuǎn)換器的良好穩(wěn)定性，帶寬通常設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的 1/10 或更小。

電流模式轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)是，用于控制 MOSFET 開(kāi)關(guān)的決策點(diǎn)是在上 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)做出的，此時(shí)電流電平和系統(tǒng)噪聲都很高。需要進(jìn)行噪聲過(guò)濾，這對(duì)上部 MOSFET 的最小導(dǎo)通時(shí)間造成了一定的限制，進(jìn)而限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比范圍。固定斜率補(bǔ)償通常還對(duì)可在某些輸入和輸出電壓條件下使用的電感值構(gòu)成限制。

電流模式轉(zhuǎn)換器也有優(yōu)勢(shì)：無(wú)論輸入和輸出條件如何，內(nèi)部時(shí)鐘都能保持開(kāi)關(guān)頻率非常穩(wěn)定，這在某些應(yīng)用中可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。內(nèi)部時(shí)鐘也可以與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，從而可以在同一頻率上運(yùn)行多個(gè)轉(zhuǎn)換器。

表 1 列出了電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)。

3. 立锜電流模式-COT （CMCOT） 降壓轉(zhuǎn)換器

Richtek 電流模式 COT 轉(zhuǎn)換器的框圖如圖 3 所示。

圖 3. 電流模式 - Cot 轉(zhuǎn)換器框圖

CMCOT 降壓轉(zhuǎn)換器沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘；上部 MOSFET 始終在預(yù)定義的固定導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通。通過(guò)改變上 MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)占空比。CMCOT 轉(zhuǎn)換器還包含一個(gè)電流檢測(cè)和誤差放大器，但現(xiàn)在將電流的下降斜率與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較。因此，在較低的 MOSFET 中感測(cè)電流，這更容易實(shí)現(xiàn)，并且不易出現(xiàn)噪聲拾取，尤其是在低占空比條件下。系統(tǒng)不需要等待下一個(gè)時(shí)鐘周期的事實(shí)使得可以更快地對(duì)突然的階躍負(fù)載做出反應(yīng)；一旦輸出電壓下降并且誤差放大器電壓上升到下降電流斜率以上，就會(huì)觸發(fā)新的導(dǎo)通時(shí)間并且轉(zhuǎn)換器電流再次上升。

圖 4. 電流模式 - Cot 穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)波形

電流谷值必須跟隨誤差放大器的輸出，因此誤差放大器的增益和速度會(huì)影響控制速度。在 CMCOT 拓?fù)渲?，可以通過(guò)補(bǔ)償設(shè)置的最大帶寬與導(dǎo)通時(shí)間的倒數(shù)有關(guān)，而不是與電流模式中的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。因此，CMCOT 轉(zhuǎn)換器可以具有比電流模式轉(zhuǎn)換器更高的帶寬，并且在快速負(fù)載階躍期間顯示出更少的輸出電壓波動(dòng)。CMCOT 在高占空比下不會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩，因此不需要斜率補(bǔ)償，這使得電感值的選擇范圍更廣。

在純固定導(dǎo)通時(shí)間拓?fù)渲校_(kāi)關(guān)頻率在不同的輸入和輸出電壓條件下會(huì)有很大偏差。在立锜 CMCOT 中，導(dǎo)通時(shí)間由一個(gè)特殊電路控制，該電路緩慢調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間以將平均開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)到定義值。與電流模式類(lèi)似，階躍負(fù)載期間的電壓暫降 ΔV 與負(fù)載階躍幅度和速度、輸出電容和轉(zhuǎn)換器帶寬有關(guān)，不同之處在于，在 CMCOT 中，補(bǔ)償組件可以設(shè)置為高于 1/10 的帶寬的開(kāi)關(guān)頻率。

CMCOT 也有一些缺點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)換器控制頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，這使得轉(zhuǎn)換器無(wú)法與外部時(shí)鐘同步。頻率控制環(huán)路還意味著開(kāi)關(guān)頻率在負(fù)載瞬態(tài)期間會(huì)出現(xiàn)一些變化。

表 2 列出了 CMCOT 降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)。

4. Richtek Advanced-COT （ACOT?） 降壓轉(zhuǎn)換器

Richtek ACOT 轉(zhuǎn)換器的框圖如圖 5 所示。

圖 5. ACOT 框圖

ACOT 轉(zhuǎn)換器不包含誤差放大器或電流檢測(cè)；他們直接將反饋信號(hào)（直流電平 + 紋波電壓）與內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行比較。當(dāng)反饋信號(hào)低于參考值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的固定導(dǎo)通時(shí)間，電感電流會(huì)上升。如果輸出電壓尚未恢復(fù)，則在短暫的消隱期后產(chǎn)生另一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間，直到電感電流與負(fù)載電流匹配并且輸出電壓再次處于其標(biāo)稱(chēng)電平。傳統(tǒng)的 COT 轉(zhuǎn)換器需要一些與電感電流同相的輸出電壓紋波才能以穩(wěn)定的方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)。這需要具有一定 ESR 的輸出電容器。

為了能夠使用低 ESR 陶瓷電容器，立锜 Advanced-COT 拓?fù)淅脙?nèi)部生成的 PSR 斜坡信號(hào)，該信號(hào)被添加到來(lái)自轉(zhuǎn)換器輸出的紋波和直流電平中。將這些相加，然后與內(nèi)部參考進(jìn)行比較。當(dāng)該電壓總和低于參考電壓時(shí)，比較器觸發(fā) ON 時(shí)間發(fā)生器。輸出電壓的突然下降將立即導(dǎo)致新的導(dǎo)通時(shí)間，只要輸出電壓沒(méi)有恢復(fù)，轉(zhuǎn)換器就可以產(chǎn)生連續(xù)的導(dǎo)通時(shí)間。這使得 ACOT 拓?fù)鋵?duì)負(fù)載瞬變的反應(yīng)速度極快。一個(gè)特殊的鎖頻環(huán)系統(tǒng)將緩慢調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，以將平均開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)到定義值。

ACOT 穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)操作的波形如圖 6 所示。

圖 6. ACOT 穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)波形

負(fù)載瞬變期間 ACOT 轉(zhuǎn)換器電壓暫降的近似公式如下所示：

其中 δmax 是轉(zhuǎn)換器在負(fù)載瞬態(tài)期間可以產(chǎn)生的最大占空比，與導(dǎo)通時(shí)間和消隱時(shí)間有關(guān)。

ACOT 轉(zhuǎn)換器在快速負(fù)載瞬變期間會(huì)出現(xiàn)較大的頻率偏差。當(dāng)最終應(yīng)用對(duì)某些開(kāi)關(guān)頻帶敏感時(shí)，應(yīng)在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下使用 ACOT 轉(zhuǎn)換器檢查此靈敏度，此時(shí)動(dòng)態(tài)頻率擺幅最為明顯。

表 3 列出了 ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)。

5. 比較測(cè)量

通過(guò)在 5V→1.2V/1A 應(yīng)用中使用 3 個(gè)立锜低壓 Buck 轉(zhuǎn)換器比較了三種拓?fù)涞膶?shí)際行為：

RT8059 （1.5MHz/1A 電流模式降壓轉(zhuǎn)換器）

RT8096A （1.5MHz/1A CMCOT 降壓轉(zhuǎn)換器）

RT5784A （1.5MHz/2A ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器）

三種應(yīng)用中的關(guān)鍵元件（輸出電容和電感值）相同，因此測(cè)量結(jié)果和差異純粹是由不同的控制拓?fù)湟鸬?，可以直接比較。

轉(zhuǎn)換器在快速負(fù)載步驟（dI/dt 速率與 MCU 內(nèi)核和 DDR 負(fù)載中看到的相似）進(jìn)行了測(cè)試。

RT8059應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果：

圖 7 顯示了具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ浇祲篟T8059的應(yīng)用。添加了一個(gè)外部前饋電容器 C7 以?xún)?yōu)化響應(yīng)。

圖 7. RT8059 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測(cè)量結(jié)果：（電流模式）

RT8059 550mA 快速階躍負(fù)載階躍載荷的詳細(xì)信息

輸出電壓跌落為 65mV 或 5%。占空比在瞬態(tài)期間逐漸變化。

圖 8

RT8096A應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果：

圖 9 顯示了 CMCOT 降壓RT8096A的應(yīng)用，它也具有內(nèi)部補(bǔ)償。添加了一個(gè)外部前饋電容器 C2 以?xún)?yōu)化響應(yīng)。

圖 9. RT8096A 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測(cè)量結(jié)果：（CMCOT）

RT8096A 550mA 快速階躍負(fù)載階躍載荷的詳細(xì)信息

輸出電壓跌落為 49mV 或 4%。在瞬態(tài)期間頻率將增加，從而增加占空比。

圖 10

測(cè)量結(jié)果表明，在這個(gè) 5V→1.2V 應(yīng)用中，CMCOT 降壓與 CM 降壓相比，階躍負(fù)載響應(yīng)要好 20% 左右，因此在這種情況下差異不大。具有較高降壓比的 CMCOT 應(yīng)用將具有更短的接通時(shí)間，因此可以具有更高的帶寬，因此這些應(yīng)用將在階躍負(fù)載響應(yīng)方面表現(xiàn)出更大的差異。

RT5785A應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果：

圖 11 顯示了使用 ACOT 降壓 RT5785A 的應(yīng)用，它有一個(gè)直接的 VOUT 連接來(lái)確定開(kāi)啟時(shí)間。不需要前饋或其他補(bǔ)償。

圖 11：RT5785A 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測(cè)量結(jié)果：（ACOT）

RT5785A 具有 550mA 快速階躍負(fù)載階躍載荷的詳細(xì)信息

輸出電壓跌落為 24mV 或 2%。頻率將立即增加以獲得瞬態(tài)期間的最大占空比。

圖 12

ACOT 降壓在所有三種控制拓?fù)渲卸季哂谐錾碾A躍負(fù)載響應(yīng)。

6.總結(jié)

在為您的應(yīng)用選擇降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，您需要考慮哪些參數(shù)對(duì)最終應(yīng)用最重要。如果系統(tǒng)在某些頻率下容易受到噪聲的影響，您可能還需要使用電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，并可能將其與外部時(shí)鐘信號(hào)同步以非常精確地設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。CM 轉(zhuǎn)換器對(duì)他們可以達(dá)到的最短時(shí)間有一些限制。因此，具有高開(kāi)關(guān)頻率的 CM 降壓轉(zhuǎn)換器不適用于具有高降壓比的應(yīng)用。

如果應(yīng)用負(fù)載具有中等瞬態(tài)負(fù)載條件，您可能需要選擇 CMCOT 拓?fù)浣祲?，以減少負(fù)載瞬態(tài)期間的輸出電壓波動(dòng)。與標(biāo)準(zhǔn)電流模式降壓轉(zhuǎn)換器相比，CMCOT 轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn) 20% ~ 30% 更好的負(fù)載瞬態(tài)行為。CMCOT 對(duì)低占空比應(yīng)用中的噪聲也不太敏感。由于其最小導(dǎo)通時(shí)間非常小，CMCOT 降壓可用于具有較大降壓比的應(yīng)用。CMCOT 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率在負(fù)載瞬變期間會(huì)出現(xiàn)一些偏差。

如果應(yīng)用負(fù)載顯示出嚴(yán)重的快速負(fù)載瞬態(tài)（如在內(nèi)核和 DDR 軌中看到的），最好選擇 ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器，它可以將負(fù)載瞬態(tài)行為提高 2 到 4 倍。它們特別適用于低占空比應(yīng)用。 由于具有非常小的最小導(dǎo)通時(shí)間，具有高開(kāi)關(guān)頻率的 ACOT 降壓器可用于具有大降壓比的應(yīng)用中。ACOT 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率在負(fù)載瞬態(tài)期間會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的偏差。但是沒(méi)有環(huán)路補(bǔ)償和斜率補(bǔ)償使 ACOT 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活且具有成本效益。