DC-DC的COT反饋控制模式

DC-DC----COT反饋控制模式

引言：滯后控制的微小變化使頻率偏移最小化，但具有單個(gè)電壓閾值電平，實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)。接通時(shí)間由一個(gè)單觸發(fā)定時(shí)器控制，并且與輸入電壓成比例。當(dāng)反饋電壓下降到參考低閾值以下時(shí)，截止時(shí)間終止。在需要快速瞬態(tài)響應(yīng)，而不需要固定或可預(yù)測(cè)的開關(guān)頻率時(shí)，滯后控制非常有效。

1.滯回模式（恒定導(dǎo)通時(shí)間COT）

電源常用的兩種控制方式，電壓控制和電流控制。不論是電壓控制還是電流控制都要用到誤差放大器，它實(shí)際上就是帶RC的運(yùn)放，如圖10-1：

圖10-1：內(nèi)部誤差放大器結(jié)構(gòu)圖

為了讓電路工作穩(wěn)定，通常需要合理設(shè)計(jì)其中每一個(gè)參數(shù)，另外如果輸出電壓發(fā)生變化，誤差放大器的RC和時(shí)鐘電路會(huì)把輸出電壓的變化延遲一段時(shí)間，再反應(yīng)到控制電路，這樣會(huì)降低響應(yīng)速度，不然改善瞬態(tài)響應(yīng)可能又需要重新去設(shè)計(jì)誤差放大器的參數(shù)。如何平衡穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)又是一個(gè)比較矛盾的問題，于是我們把誤差放大器換成比較器，同時(shí)把時(shí)鐘控制的PWM發(fā)生器換成電壓控制的On Time發(fā)生器，這個(gè)就是最基本的COT控制（圖10-2），它的基本原理就是FB電壓低于參考電壓，就產(chǎn)生一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間的脈沖來控制上MOS的導(dǎo)通，做到既沒有延時(shí)，也沒有RC補(bǔ)償。

圖10-2：基本COT控制圖

但是如果輸入電壓不一樣，開關(guān)頻率就會(huì)發(fā)生變化，于是COT控制會(huì)檢測(cè)輸入電壓，實(shí)現(xiàn)輸入電壓變化時(shí)開關(guān)頻率很低。

（K為常數(shù)）

同樣，COT控制也會(huì)檢測(cè)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)不同輸出電壓時(shí)，開關(guān)頻率恒定。這才是一個(gè)常用的COT控制，但是與此同時(shí)如果輸出全是磁片電容，還是會(huì)遇到不穩(wěn)定的情況。因?yàn)镃OT控制需要FB電壓存在一個(gè)和電感電流同相位的紋波，所以需要一定的ESR來穩(wěn)定電路系統(tǒng)，ESR比較大的高分子電容或者是電解電容，這個(gè)同一相位的網(wǎng)絡(luò)是存在的，穩(wěn)定沒有問題。但是對(duì)于磁片電容，ESR太小，沒有辦法保證FB上的紋波電壓和電感電流同相位，所以就沒有辦法保證穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題，常用的做法是在FB上加上如圖所示的RC電路，產(chǎn)生一個(gè)和電感電路同相位的紋波：

圖10-3：帶外置RC電路的COT控制

有的DC-DC是采用這種方式來穩(wěn)定的。但有的是內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)額外的斜坡補(bǔ)償。另外COT控制方式，F(xiàn)B電壓紋波導(dǎo)致實(shí)際的輸出電壓是比設(shè)定的目標(biāo)電壓要高的，這樣就有了調(diào)整率的問題。于是引入一個(gè)速度很慢的EA（error AMP），用來調(diào)節(jié)實(shí)際的輸出電壓和設(shè)定的電壓一致，但是并不會(huì)影響瞬態(tài)響應(yīng)。

綜上所述COT控制和紋波息息相關(guān)，所以COT控制也叫滯回控制方式，是針對(duì)需要極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的負(fù)載（例如CPU和FPGA的電源）的需求而開發(fā)出來的一種方式。因其可以檢測(cè)并控制輸出紋波，故也被稱為“紋波控制”方式（圖10-4）。

圖10-4：紋波檢測(cè)

這種方式由比較器來直接監(jiān)控輸出電壓，無需借助誤差放大器。比較器通過檢測(cè)輸出電壓是否已超過或低于設(shè)置的閾值來直接控制開關(guān)的 ON/OFF。具體包括兩種方式，一種是導(dǎo)通時(shí)間恒定，檢測(cè)是否低于閾值；另一種是關(guān)斷時(shí)間恒定，檢測(cè)是否超過閾值（圖10-4）。

10-5：滯回控制模式結(jié)構(gòu)圖

10-6：模擬負(fù)載變化響應(yīng)波形

通過圖10-6可以看到脈沖寬度恒定，但是振蕩頻率通過ON時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，黃色框內(nèi)：無滯后，對(duì)負(fù)載變動(dòng)可快速響應(yīng)，延遲短，響應(yīng)快，工作原理簡(jiǎn)單，無需相位補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，振蕩頻率因輸入輸出條件和負(fù)載而變動(dòng)。

圖10-7：COT振蕩

ON時(shí)間控制的振蕩頻率計(jì)算：
輸入輸出條件與Ton、Toff的關(guān)系如下：

Ton：Toff=Vout：Vin-Vout

假設(shè)Vin=5V，Vout=1V，ON時(shí)間恒定200us，則振蕩頻率為：

200ns:800ns=1:5-1

那么：

F=1/（200ns+800ns)=1MHZ

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)橛杀容^器直接控制，所以瞬態(tài)響應(yīng)速度非常快，而且不需要相位補(bǔ)償。缺點(diǎn)是開關(guān)頻率波動(dòng)；抖動(dòng)（Jitter）大；為了檢測(cè)輸出紋波需要使用較大ESR（等效串聯(lián)電阻）的輸出電容器。但是由于這些缺點(diǎn)已經(jīng)逐步得到改善，所以采用這種方式的DC-DC越來越常見。當(dāng)反饋電壓大于參考高閾值時(shí)，PWM（SW）接通時(shí)間（Ton）終止，而當(dāng)反饋電壓小于參考低閾值時(shí)，關(guān)斷時(shí)間（Toff）終止。不需要補(bǔ)償組件。PWM開關(guān)頻率不受控制，并且隨著負(fù)載電流而變化，并且在較輕的負(fù)載下提供更高的效率。

COT控制由于快速的瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償，廣泛應(yīng)用于主流Core芯片的供電。相應(yīng)的，COT控制也經(jīng)歷了單相控制到單相多路并聯(lián)再到多相多環(huán)路控制的發(fā)展歷程。數(shù)字控制、COT支持像素自行編程，自動(dòng)環(huán)路補(bǔ)償，極大的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

2 .COT with ERM

COT調(diào)節(jié)器的一種變體，它感測(cè)低端MOSFET的一部分關(guān)斷時(shí)間電流，并將其注入誤差比較器以模擬紋波。這種控制模式具有與COT相同的快速瞬態(tài)響應(yīng)和較少的外部組件優(yōu)勢(shì)。當(dāng)使用低ESR陶瓷電容器時(shí)，或當(dāng)不需要外部紋波注入電路時(shí)，推薦使用COT with ERM。

3 .D-CAP

D-CAPTM

類似于COT控制，除了單觸發(fā)定時(shí)器產(chǎn)生與輸入電壓和輸出電壓成比例的接通時(shí)間脈沖。當(dāng)下降的反饋電壓等于參考電壓時(shí)，產(chǎn)生新的PWM導(dǎo)通脈沖。通過控制回路中的高速比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載變化的快速響應(yīng)。D-帽? 與滯后控制相比，使頻率偏移最小化。當(dāng)需要快速瞬態(tài)響應(yīng)并且使用POSCAP或中等ESR輸出電容器時(shí)并且不需要環(huán)路補(bǔ)償計(jì)算或組件，可以使用D-CAPTM。

圖10-8：調(diào)整波形

D-CAP2TM

D-CAP2TM略有變化，具有與D-CAP相同的瞬態(tài)和外部組件優(yōu)勢(shì)。這種控制模式支持陶瓷輸出電容，無需外部電路。來自內(nèi)部紋波注入電路的信號(hào)被直接饋送到比較器，從而減少了對(duì)電容器ESR輸出電壓紋波的需求。斜坡由輸出電感器模擬。當(dāng)需要低ESR陶瓷輸出電容器的快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)可以使用D-CAP2TM。

D-CAP3TM

D-CAP2TM的變體，具有相同的瞬態(tài)和外部組件優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換器內(nèi)置采樣保持電路，以消除D-CAP2TM模擬斜坡電路產(chǎn)生的偏移電壓，從而提高電壓參考精度。非常適合為低核心電壓FPGA、ASIC和DSP供電。當(dāng)使用陶瓷輸出電容器時(shí)，需要更嚴(yán)格的參考電壓精度和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，可以使用D-CAP3TM。

圖10-9：D-CAP3TM原理

4.DCS

直接控制，無縫過渡到節(jié)能模式將遲滯控制的優(yōu)點(diǎn)與電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，前者可在無補(bǔ)償部件的情況下實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，后者可在從PWM到節(jié)能模式（PSM）的無縫轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)高直流精度。

圖10-10：DCS控制邏輯