COT電源控制芯片控制模式介紹

眾所周知，開關(guān)電源的控制方式主要包括了傳統(tǒng)的電壓模式、峰值電流模式、平均電流模式。這些主要流行的控制模式統(tǒng)統(tǒng)歸屬于 PWM 控制模式。而 PFM 模式基本出現(xiàn)在下列的情況中：

電壓滯環(huán)控制芯片，如 TI-TPS5211， TI-LM3485，ON-CS51031， MP-2905。

電流滯環(huán)控制芯片，如 Microchip-HV9930，TI-LM27212。

在一些電源控制芯片中，輕載工況下，還會(huì)切換至 burstmode 以及 pulse skipping mode，這兩種模式也歸屬于 PFM 控制模式，用于提高輕載工況下的效率。也有其他學(xué)者指出 Pulse Skipping mode，另歸一類。

諧振控制器基本都是 PFM 控制模式。在之前的推文中，帥鍋也介紹過(guò)基于 bang-bang control 的 LLC 控制芯片，bang-bang 也即是 PFM 控制模式的一種。（VMC 和 CMC 的 LLC 控制器仿真對(duì)比 第四節(jié) （Ti UCC25640x 混合滯回控制））

今天要介紹的 COT 控制模式，即是 Constant-on-time mode，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，它由滯環(huán)控制模式發(fā)展而來(lái)。顧名思義，其在整個(gè)控制過(guò)程中會(huì)保持開通時(shí)間 Ton 恒定不變。當(dāng)然，相應(yīng)也有 constant-off-time mode，不做過(guò)多介紹。

滯環(huán)控制

滯環(huán)控制如下圖，分壓電阻得到的反饋電壓 vfb 和參考電壓 vref 通過(guò)一個(gè)滯環(huán)比較器比較，我們假設(shè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬為 h， 一般來(lái)說(shuō)，滯環(huán)帶寬一般在 15mV~20mV 之間。當(dāng) Vfb 低于 vref-（1/2）h 時(shí)，比較器輸出為高，HS 打開，電感電流線性上升，由 ESR 帶來(lái)的輸出電壓紋波此時(shí)也會(huì)線性上升，vfb 亦復(fù)如是。當(dāng) vfb 高于 vref+（1/2）h 時(shí)，比較器輸出為低，LS 打開，電感電流下降，輸出電壓和 vfb 紋波下降。

遲滯控制的優(yōu)勢(shì)在于其環(huán)路極其簡(jiǎn)單，無(wú)需誤差放大器，也不需要考慮復(fù)雜的補(bǔ)償問(wèn)題，因此可以達(dá)到非常大的帶寬，瞬態(tài)響應(yīng)速度極快。

圖 1 滯環(huán)控制模式

當(dāng) Buck 工作在 CCM 模式下，其輸出電壓紋波可以計(jì)算為

可以看出，開關(guān)頻率和選擇的電感、滯環(huán)環(huán)寬以及電容 ESR 都有關(guān)系。Vin 變化時(shí)，以及 ESR 會(huì)受到溫度的影響而變化，比較器的傳播延遲等，都會(huì)影響到開關(guān)頻率，這會(huì)使得 EMI 的處理變得比較困難。

圖 2 輸出紋波電壓細(xì)節(jié)

而實(shí)際上，輸出電容還有 ESL 存在，ESL 帶來(lái)的紋波會(huì)在輸出電壓紋波上形成一個(gè)小尖鋒，有可能在開關(guān)狀態(tài)切換的時(shí)候，導(dǎo)致反饋電壓 vfb 會(huì)超出滯環(huán)的上限。再考慮耦合到輸出紋波上的噪聲，可以想象，控制器會(huì)變得非常敏感。另一方面，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，其輸出紋波會(huì)增大。因此，其商用的 IC 總體來(lái)說(shuō)并不多。

恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）

COT 控制模式基于滯環(huán)控制模式發(fā)展而來(lái)。在基本的遲滯控制中增加一個(gè)單穩(wěn)態(tài)計(jì)時(shí)電路（One Shot）控制功率管的導(dǎo)通時(shí)間，使功率管導(dǎo)通一個(gè)恒定的時(shí)間。

圖 3 COT 控制模式

當(dāng)反饋電壓 vfb 低于參考電壓 vref 時(shí)，比較器的輸出 vcomp_out 會(huì)拉高，SR latch 被置位，Q 輸出也拉高，HS 就被打開，電感電流線性上升，輸出電壓紋波以及 vfb 上的紋波也會(huì)上升，因此，vcomp_out 會(huì)立馬拉低，形成一個(gè)脈沖。而 Q 輸出拉高同時(shí)，也啟動(dòng)了單穩(wěn)態(tài)計(jì)時(shí)器，直到這個(gè)固定開通時(shí)間結(jié)束。單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器輸出 vone_shot 翻轉(zhuǎn)拉高，復(fù)位 SR latch。當(dāng)結(jié)束 HS 開通過(guò)程后，電感電流下降，輸出電壓紋波也下降，直到 vfb 再一次低于 vref，開啟新的周期。

可以看出，COT 是一種紋波電壓谷底控制方式。如果系統(tǒng)已經(jīng)開通了一個(gè) Ton 的時(shí)間，發(fā)現(xiàn) vfb 仍然低于 vref，怎么辦呢？從邏輯控制圖中可以看出，此時(shí) vcomp_out 會(huì)一直高電平，當(dāng) Ton 結(jié)束，Q 拉高之后，S 和 Q 均為高電平，根據(jù) SR latch 的真值表，此時(shí) SR 處在 invalid 狀態(tài)，是不允許出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤。因此，可以再 Ton 結(jié)束后，增加一個(gè)最小關(guān)斷時(shí)間 Toff_min，強(qiáng)制關(guān)斷 HS，然后再進(jìn)行下一次 Ton 開通。一方面增加 Toff_min 可以保證邏輯正確，另一方面也可以避免 HS 一直導(dǎo)通情況下的電感器的飽和。

COT 的穩(wěn)定性問(wèn)題：

從上面的邏輯控制圖中可以發(fā)現(xiàn)，COT 的穩(wěn)定性建立在 vfb 紋波上，也即輸出電壓紋波上。當(dāng)輸出電壓紋波足夠大時(shí)，可以保證足夠的穩(wěn)定性。因此直觀地看，COT 是一種基于 power stage 大信號(hào)的非線性控制。利用環(huán)路分析儀掃描伯德圖僅僅適用于電壓模式、電流模式之類線性控制系統(tǒng)，此時(shí)對(duì) COT 控制已經(jīng)不再適用。