三種DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞膬?yōu)缺點

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

一、簡介

本報告描述了三種 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌弘娏髂Ｊ健㈦娏髂Ｊ?恒定導(dǎo)通時間和立锜高級恒定導(dǎo)通時間拓?fù)?。解釋了三種拓?fù)渲g的差異，并針對最終應(yīng)用列出了每種類型的優(yōu)缺點。

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，固定頻率時鐘激活上部 MOSFET。誤差放大器查看反饋信號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行比較，當(dāng)電感電流超過誤差放大器電壓時，上部 MOSFET 關(guān)斷。然后電感電流流過下部 MOSFET，系統(tǒng)等待下一個時鐘脈沖。斜坡補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償元件設(shè)置，并限制在遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)換器開關(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

固定時鐘使電流模式控制系統(tǒng)對負(fù)載突然變化的響應(yīng)速度相對較慢，尤其是在低占空比應(yīng)用中，因為一旦上部 MOSFET 被關(guān)閉，它會一直保持關(guān)閉狀態(tài)，直到下一個時鐘周期。當(dāng)轉(zhuǎn)換器試圖滿足新的負(fù)載需求時，有限的帶寬也限制了可以實現(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)出相對較大的輸出電壓波動。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)置為開關(guān)頻率的 1/10 或更小。

電流模式轉(zhuǎn)換器的另一個缺點是，用于控制 MOSFET 開關(guān)的決策點是在上 MOSFET 的導(dǎo)通時間內(nèi)做出的，此時電流電平和系統(tǒng)噪聲都很高。需要進行噪聲過濾，這對上部 MOSFET 的最小導(dǎo)通時間造成了一定的限制，進而限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比范圍。固定斜率補償通常還對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：無論輸入和輸出條件如何，內(nèi)部時鐘都能保持開關(guān)頻率非常穩(wěn)定，這在某些應(yīng)用中可能是一個優(yōu)勢。內(nèi)部時鐘也可以與外部時鐘信號同步，從而可以在同一頻率上運行多個轉(zhuǎn)換器。

表 1 列出了電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點。

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)換器沒有內(nèi)部時鐘；上部 MOSFET 始終在預(yù)定義的固定導(dǎo)通時間導(dǎo)通。通過改變上 MOSFET 的關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)占空比。CMCOT 轉(zhuǎn)換器還包含一個電流檢測和誤差放大器，但現(xiàn)在將電流的下降斜率與誤差放大器的輸出進行比較。因此，在較低的 MOSFET 中感測電流，這更容易實現(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)不需要等待下一個時鐘周期的事實使得可以更快地對突然的階躍負(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，就會觸發(fā)新的導(dǎo)通時間并且轉(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影響控制速度。在 CMCOT 拓?fù)渲?，可以通過補償設(shè)置的最大帶寬與導(dǎo)通時間的倒數(shù)有關(guān)，而不是與電流模式中的開關(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。CMCOT 在高占空比下不會出現(xiàn)次諧波振蕩，因此不需要斜率補償，這使得電感值的選擇范圍更廣。

在純固定導(dǎo)通時間拓?fù)渲?，開關(guān)頻率在不同的輸入和輸出電壓條件下會有很大偏差。在立锜 CMCOT 中，導(dǎo)通時間由一個特殊電路控制，該電路緩慢調(diào)整導(dǎo)通時間以將平均開關(guān)頻率調(diào)節(jié)到定義值。與電流模式類似，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，補償組件可以設(shè)置為高于 1/10 的帶寬的開關(guān)頻率。

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

表 2 列出了 CMCOT 降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點。

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；他們直接將反饋信號（直流電平 + 紋波電壓）與內(nèi)部基準(zhǔn)進行比較。當(dāng)反饋信號低于參考值時，會產(chǎn)生一個新的固定導(dǎo)通時間，電感電流會上升。如果輸出電壓尚未恢復(fù)，則在短暫的消隱期后產(chǎn)生另一個導(dǎo)通時間，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)定的方式進行開關(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，該信號被添加到來自轉(zhuǎn)換器輸出的紋波和直流電平中。將這些相加，然后與內(nèi)部參考進行比較。當(dāng)該電壓總和低于參考電壓時，比較器觸發(fā) ON 時間發(fā)生器。輸出電壓的突然下降將立即導(dǎo)致新的導(dǎo)通時間，只要輸出電壓沒有恢復(fù)，轉(zhuǎn)換器就可以產(chǎn)生連續(xù)的導(dǎo)通時間。這使得 ACOT 拓?fù)鋵ω?fù)載瞬變的反應(yīng)速度極快。一個特殊的鎖頻環(huán)系統(tǒng)將緩慢調(diào)整導(dǎo)通時間，以將平均開關(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)通時間和消隱時間有關(guān)。

ACOT 轉(zhuǎn)換器在快速負(fù)載瞬變期間會出現(xiàn)較大的頻率偏差。當(dāng)最終應(yīng)用對某些開關(guān)頻帶敏感時，應(yīng)在動態(tài)負(fù)載條件下使用 ACOT 轉(zhuǎn)換器檢查此靈敏度，此時動態(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。

5. 比較測量

通過在 5V→1.2V/1A 應(yīng)用中使用 3 個立锜低壓 Buck 轉(zhuǎn)換器比較了三種拓?fù)涞膶嶋H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）進行了測試。

RT8059應(yīng)用及測試結(jié)果：

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

圖 7. RT8059 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測量結(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)部補償。添加了一個外部前饋電容器 C2 以優(yōu)化響應(yīng)。

圖 9. RT8096A 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測量結(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

測量結(jié)果表明，在這個 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)用及測試結(jié)果：

圖 11 顯示了使用 ACOT 降壓 RT5785A 的應(yīng)用，它有一個直接的 VOUT 連接來確定開啟時間。不需要前饋或其他補償。

圖 11：RT5785A 5V→1.2V/1A 應(yīng)用

測量結(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，您需要考慮哪些參數(shù)對最終應(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鐘信號同步以非常精確地設(shè)置開關(guān)頻率。CM 轉(zhuǎn)換器對他們可以達(dá)到的最短時間有一些限制。因此，具有高開關(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。與標(biāo)準(zhǔn)電流模式降壓轉(zhuǎn)換器相比，CMCOT 轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn) 20% ~ 30% 更好的負(fù)載瞬態(tài)行為。CMCOT 對低占空比應(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)換器的開關(guān)頻率在負(fù)載瞬變期間會出現(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)通時間，具有高開關(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)換器的開關(guān)頻率在負(fù)載瞬態(tài)期間會出現(xiàn)相當(dāng)大的偏差。但是沒有環(huán)路補償和斜率補償使 ACOT 設(shè)計簡單、靈活且具有成本效益。