COT控制模式簡(jiǎn)述-7

COT控制模式系列：

1. COT控制模式簡(jiǎn)述part1
2. COT控制模式簡(jiǎn)述part2
3. COT控制模式簡(jiǎn)述part3
4. COT控制模式簡(jiǎn)述part4
5. COT控制模式簡(jiǎn)述part5
6. COT控制模式簡(jiǎn)述part6

在上一期中，有朋友問(wèn)12V哪里來(lái)的? 在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)合或者服務(wù)器等48V和12V的母線都是比較常見(jiàn)的。據(jù)我熟知的而言，48V仍然要轉(zhuǎn)換成12V的bus，作為母線電壓輸入。因此，這是一個(gè)比較常見(jiàn)的例子。

被我忽略的一點(diǎn)是，電容的RMS電流，流入電容的電流會(huì)引起電容溫升，有些電容制作商會(huì)給出RMS電流和溫升的關(guān)系曲線，更利于計(jì)算和選擇。比較推薦使用的是X6S或者X7R這種溫度范圍較寬的陶瓷電容。

輸入電容的RMS電流計(jì)算公式為

暫時(shí)拋出兩個(gè)計(jì)算式以做補(bǔ)充。接下來(lái)，就可以搭一個(gè)簡(jiǎn)單的SIMetrix/SIMPLIS仿真模型。根據(jù)之前幾期的介紹，首先需要搭建一個(gè)恒定導(dǎo)通定時(shí)器，當(dāng)然，都是基于行為模型，精度僅夠?qū)W習(xí)觀摩使用，各位模擬設(shè)計(jì)的大佬，多多擔(dān)待。

圖27 恒定導(dǎo)通時(shí)間定時(shí)器

首先，需要獲得與Vin成正比的電流源，可以使用壓控流源直接轉(zhuǎn)換成電容充電電流ichar，也可以使用如圖所示的流控流源，它將輸入電壓/Ron的電流轉(zhuǎn)換成電容充電電流ichar。后者這種情況更接近于實(shí)際底層的設(shè)計(jì)，因此姑且采用這種形式。ichar是一個(gè)與Vin成正比的可控恒流源，電容電壓將會(huì)線性上升，被送入比較器的負(fù)端。比較器的正端接了一個(gè)模擬啟動(dòng)過(guò)程的電路，當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓為0，此時(shí)將電容電壓vsaw無(wú)法與輸出電壓比較，比較器完全失去功效。在輸出電壓建立之前，使用一個(gè)200mV的內(nèi)部基準(zhǔn)做為比較器的正端輸入，這也對(duì)應(yīng)著Ton的最小導(dǎo)通時(shí)間；當(dāng)輸出電壓大于200mV時(shí)，再切換至輸出電壓做為比較器的正端輸入，就可以完成Ton與輸出電壓成正比的要求。

圖29 COT定時(shí)器的模擬波形

S3是一個(gè)理想的Switch，用來(lái)對(duì)電容電壓放電，從而形成鋸齒波的下降沿，它的觸發(fā)信號(hào)在COT控制模式中是由驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束的信號(hào)控制，此處僅作定時(shí)器的驗(yàn)證，使用比較器的反向輸出信號(hào)做為觸發(fā)信號(hào)。電壓源V2設(shè)置成一個(gè)從0開(kāi)始的ramp信號(hào)，升到1V時(shí)保持。用于模擬輸出電壓軟啟動(dòng)的過(guò)程。

從仿真波形上看，完全和設(shè)想的一致，比較器的正端在先由200mV開(kāi)始，達(dá)到比較器觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，斜坡上升，最后保持在1V。相應(yīng)的，Ton定時(shí)器的鋸齒波信號(hào)的幅值跟隨變化，由于比較器的斜率固定，Ton的時(shí)間一直會(huì)也會(huì)跟隨變化。

Ton時(shí)間可以計(jì)算為

調(diào)整電容C1和Ron就可以獲得需要的Ton值，按照?qǐng)D的參數(shù)計(jì)算Ton=128ns，Ton_min=26ns。

圖30 COTToff min定時(shí)器

同樣地，最小關(guān)斷時(shí)間的定時(shí)器可以如法炮制，此時(shí)可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的恒流源給電容充電，需要注意的是，當(dāng)Toff_min時(shí)間結(jié)束的時(shí)候，電容C2的正端電壓vsaw_toff會(huì)大于200mV，比較器輸出電平為高，而這個(gè)高信號(hào)需要一直保持住，直到下一個(gè)Ton的脈沖上升沿到來(lái)，才對(duì)電容進(jìn)行放電，以釋放這個(gè)狀態(tài)。而電容電壓又不可一直充電，否則充電電壓會(huì)很高，所以使用一個(gè)鉗位穩(wěn)壓管使得穩(wěn)壓值略大于200mV即可。

圖31 基本的COT控制模式的框圖

我們來(lái)說(shuō)下它的具體的控制邏輯，設(shè)定的輸出電容的ESR較大于臨界值。

利用分壓電阻采樣輸出電壓，獲得反饋電壓vfb信號(hào)，與基準(zhǔn)電壓600mV比較，當(dāng)vfb低于600mV時(shí)，比較器U1輸出高電平，而此時(shí)的Toff_min定時(shí)器的輸出跟上述的那樣保持高電平的狀態(tài)。

那么與門U5的兩個(gè)輸入全為高電平，其輸出信號(hào)U5-OUT為高電平。這個(gè)信號(hào)輸入RS latch的S端，置位Q信號(hào)，Q此時(shí)拉高，若忽略死區(qū)時(shí)間，Q即作為上管的原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，QN則為下管的原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)上管開(kāi)通，電感電流線性上升，對(duì)應(yīng)的輸出電壓的ESR紋波也會(huì)線性上升，反饋電壓vfb的紋波電壓也在線性上升。

此時(shí)，Q拉高還會(huì)開(kāi)通switchS6，將Toff_min定時(shí)器電容上的電壓放電，也即將Toff_min定時(shí)器的輸出拉低，也即是將U5-OUT信號(hào)拉低，這保證了RS latch的邏輯不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)高的情況，其S上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫脈沖。

圖32 COT控制模式基本邏輯和主要波形

此時(shí)，Q拉高，意味著QN拉低，QN拉低斷開(kāi)了switch S3，此時(shí)Ton定時(shí)器就開(kāi)始從0開(kāi)始充電，當(dāng)電容C1的電壓大于Vout(或者200mV的基準(zhǔn)電壓)，比較器U2的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)拉高，此時(shí)RS latch的R端為高電平，S端為低電平，輸出信號(hào)Q拉低，結(jié)束Ton時(shí)間的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，QN則拉高，使得switch S3閉合，Ton定時(shí)器電容C1放電到0，比較器U2的輸出再次翻轉(zhuǎn)拉低。因此，也保證了RS latch的邏輯，其R上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫脈沖。

當(dāng)Q拉低時(shí)，同時(shí)關(guān)斷了switchS6，啟動(dòng)了Toff_min定時(shí)器。Toff定時(shí)器電容C6電壓一直上升，超過(guò)200mV時(shí)，比較器U6會(huì)一直拉高，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期來(lái)臨。

講到這里，基本的邏輯思路已經(jīng)很清晰了。但是有一個(gè)疑問(wèn)，怎么保證Toff_min的確可以在瞬態(tài)響應(yīng)中完成了關(guān)斷上管Toff_min時(shí)間呢？當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生undershoot，此時(shí)反饋電壓vfb會(huì)持續(xù)小于基準(zhǔn)電壓600mV，可能會(huì)保持幾個(gè)周期。也就說(shuō)，比較器U1的輸出會(huì)一直拉高，保持幾個(gè)周期。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)通第一個(gè)Ton時(shí)間后，Q信號(hào)啟動(dòng)Toff_min定時(shí)器，當(dāng)比較器U6拉高時(shí)，與門U5的兩個(gè)輸入信號(hào)全為高電平，又啟動(dòng)了下一個(gè)Ton時(shí)間。因而，可以證明，在vfb一直小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，上管的確可以完成Toff_min時(shí)間的關(guān)斷。

圖33 undershoot瞬態(tài)下Toff_min的驗(yàn)證

根據(jù)上述的邏輯，跑一次undershoot的瞬態(tài)，可以看出底部淺綠色Toff_min的波形，在動(dòng)態(tài)時(shí)刻僅以三角波形式出現(xiàn)，而在其他時(shí)刻以梯形波出現(xiàn)。因此的確，如上述邏輯所述那樣。

順便提一點(diǎn)，仿真模型僅僅是為了提高一個(gè)更直觀的理解，加深對(duì)系統(tǒng)思想的理解，也作為個(gè)人邏輯思想的驗(yàn)證工具，千萬(wàn)不要為了仿真而仿真。如果你想獲得和實(shí)際中一毛一樣的仿真模型，那需要深入到更底層的半導(dǎo)體物理和CMOS模擬電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，還要考慮雜散參數(shù)等問(wèn)題。這對(duì)于Simplis工具來(lái)說(shuō)是不適用的，也偏離了建立Simplis模型的初衷。

這種仿真模型對(duì)模擬IC設(shè)計(jì)者而言，就像一個(gè)已經(jīng)不適合成年人玩耍的兒童玩具，顯得有些拙劣。如果能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者或者電源應(yīng)用設(shè)計(jì)者提供一些微小的幫助，筆者已經(jīng)頗感欣慰了。