【導讀】本文探討了在DC/DC變換器中,為什么恒定導通時間控制(COT)比傳統(tǒng)電流模式控制方式更加有效。圖 1為DC/DC變換器的傳統(tǒng)電流模式架構圖,它采用的方式是將采樣電流(紅色部分)與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出(藍色部分)進行比較,以生成控制MOSFET的PWM脈沖。
在傳統(tǒng)控制架構中,有兩種因素會影響輸出負載變化的瞬態(tài)響應性能。
第一因素是誤差放大器。在電壓反饋環(huán)路中,補償網絡的誤差放大器充當了低通濾波器的作用,從而拉長了變換器對輸出電壓變化的響應時間。
圖 1:電流模式DC/DC架構圖
圖 2 顯示了誤差放大器延遲對環(huán)路瞬態(tài)響應的影響。在這個示例中,負載電流從0A快速上升到20A,從底部曲線可以看到,VOUT在恢復之前出現(xiàn)了明顯的下降。綠色曲線為誤差放大器的輸出曲線,在最大下沖發(fā)生后的兩個周期內,它才達到最大值。此種延遲由誤差放大器的低通濾波器引起。
圖 2:誤差放大器延遲對輸出下沖的影響
第二個因素為內部時鐘引起的開關周期延遲,內部時鐘將脈寬調制(PWM)控制反饋至輸出MOSFET。在連續(xù)電流控制工作模式下,由于其控制頻率是固定的,所以MOSFETs的導通時序由時鐘周期決定。即使采用PWM占空比控制上管MOSFET的導通時間,在下一個時鐘周期開始之前它也無法再次導通。一旦上管MOSFET關斷,負載電流會從0A上升至20A(見圖3)。誤差放大器的輸出會快速上升來響應,但上管MOSFET必須等到下一個時鐘周期才會打開。在這期間,輸出電壓持續(xù)下降。陰影區(qū)域為負載電流與電感電流的差值區(qū)域,這部分不足的電流必須由輸出電容提供并會引起輸出電壓下沖。
圖 3:內部PWM時鐘周期對輸出下沖的影響
與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比,恒定導通時間控制(COT)結構則非常簡單,它通過反饋電阻來采樣輸出電壓(見圖4),然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進行對比,生成固定的導通時間脈沖來導通上管MOSFET。當導通時間脈沖到期后,上管MOSFET關斷(且下管導通)。
圖 4:恒定導通時間DC/DC架構
COT架構無需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補償網絡,變換器的設計更加簡單,因為元器件變得更少,也無需花費很多時間來調整補償值??煽康腃OT工作模式要求反饋節(jié)點上的輸出電壓斜坡足夠大以保證無抖頻工作。因此,斜坡應大于任一隨機系統(tǒng)中反饋輸入的噪音。 如果輸出電容具有足夠的等效串聯(lián)電阻(ESR),則由該ESR產生的反饋斜坡電壓主導電感的較小串聯(lián)電阻。在這種情況下,一個簡單的電阻分壓器網絡就足夠了 (參見圖5),通??捎糜陔娊怆娙莼騊OSCAP電容。
圖 5:來自輸出電容ESR的COT反饋輸入斜坡電壓
圖 6:來自電感斜坡轉換電路的COT反饋輸入斜坡電壓
如果首選為低ESR的陶瓷電容,還可以使用額外的“斜坡發(fā)生器”電路來生成所需的反饋斜坡電壓 (參見圖6)。
需要注意的是,反饋電壓會直接輸入到比較器中,以驅動定時控制塊,沒有誤差放大器或內部固定頻率會導致延遲從而影響瞬態(tài)響應時間。
COT控制架構使用參考比較器輸出來觸發(fā)定時脈沖發(fā)生器,而不是使用固定頻率的時鐘。脈沖出現(xiàn)的頻率由輸出負載電流決定。在具有穩(wěn)定輸出電流要求的連續(xù)導通模式下,COT控制以近似固定的頻率運行。然而,在負載電流由低向高的跳變過程中,COT脈沖發(fā)生器輸出高頻脈沖,以最大限度地減少輸出下沖。一旦達到正常的輸出電壓,脈沖頻率降低到維持穩(wěn)定的調節(jié)輸出電壓所需的水平。
另外,COT控制的瞬態(tài)響應時間比傳統(tǒng)的電壓或電流模式控制快兩倍。較低的下沖使它更容易滿足負載電壓公差規(guī)格。這也意味著,與電壓或電流模式變換器相比,基于COT控制模式的變換器需要更少的輸出電容便能滿足給定的負載瞬態(tài)響應,既節(jié)省了空間尺寸又節(jié)約了成本。
圖 7為電流控制與COT控制模式的對比圖。對于相同的負載電流升壓變換器來講,COT控制具有更快的切換速度,減小了電感與輸出電流之間的間隙,從而進一步減小輸出下沖。
圖 7:對負載跳變的瞬態(tài)響應對比圖(電流模式對比COT控制模式)
COT 變頻控制結構的另一個優(yōu)點是:在輕載時,脈沖頻率得到了進一步的降低,可以保持較高的效率。因為只有當輸出負載需要時才會發(fā)出脈沖,所以與具有永久開關時鐘的電壓或電流模式架構相比,可以實現(xiàn)更小的內部開關損耗。這意味著基于COT的DC/DC變換器在輕載或空載條件下具有非常高的效率,是電池供電設備/具有省電模式設備的最佳選擇。
綜上所述,COT控制由于其瞬態(tài)響應速度快、效率高、元件少、設計簡單等優(yōu)點,完勝傳統(tǒng)電流和電壓模式控制方法解決方案。
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