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恒定导通时间控制的过去与现在

发布时间:2021-12-13 来源:MPS 责任编辑:wenwei

【导读】无论是无线PA系统还是CPU内核,工程师们常常需要在带宽和系统电源的稳定性之间做出权衡,以获得较低的动态纹波。恒定导通时间(COT)控制在电源管理中日益受到关注,现在已广泛应用于计算领域的核心IC电源中。随着人工智能的普及,COT的应用还将更加广泛。

 

在讨论COT控制之前,我们先来了解一下另外两种控制方法:电压控制和电流控制(请参见图1)。在COT控制流行起来之前,工程师们通常会采用这两种方法。

 

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图1: 电压控制和电流控制


电压控制和电流控制系统中常会用到误差放大器(EA)。图2显示了一个误差放大器的原理图示例。

 

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图2: 误差放大器原理图


上图显示了EA如何在电阻-电容(RC)补偿网络内工作。为了使电路稳定,每个参数(C1、R1、C2、R2和C3)都必须分别设计,这项工作既繁琐又耗时。而且除了稳定性问题之外,通常还存在瞬态响应问题。

 

当输出电压发生变化时,误差放大器的RC网络会延迟输出电压的变化,然后再对控制电路做出反应,因此降低了响应速度。即使控制电路收到有关输出电压变化的反馈,它也不会立即响应。相反,它根据设定的时钟频率给出响应,这更是拖慢了瞬态响应(见图3)。

 

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图3: 补偿网络中的误差放大器工作


为了提高瞬态性能,可能又需要重新设计误差放大器和RC网络(C1、R1、C2、R2和C3)的参数。这意味着工程师必须思考如何在稳定性和瞬态响应之间做出平衡。

 

为了解决这些问题,我们用比较器替换误差放大器,这样就消除了补偿的必要,从而消除了RC的延迟。同时,可以用具有电压控制导通时间发生器的时钟控制PWM发生器代替时钟,从而消除时钟延迟(参见图4)。这种解决方案即采用了恒定导通时间(COT)控制。

 

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图4: 恒定导通时间控制


图4显示了恒定导通时间(COT)控制最基本的示例。其基本原理为:当FB电压低于参考电压(VREF)时会产生一个COT脉冲来控制上管MOSFET的开启(见图5)。

 

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图5: 恒定导通时间控制相关参数


但是,如果每个COT脉冲的输入电压不同,则可能会改变开关频率。为解决这个问题,恒定导通时间控制需检测输入电压,并在输入电压变化时实现恒定的开关频率。同样,当输出电压达到不同的输出电压时,COT控制会检测恒定的开关频率。图6显示了常用的COT控制原理图。

 

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图6: 常用COT控制原理图


但是,如果在使用陶瓷输出电容器(MLCC)的情况下应用COT控制,则会出现不稳定的情况(请参见图7)。

 

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图7: MLCC导致的不稳定性


这种不稳定的产生是由于COT控制需要FB电压随电感电流产生相间纹波。由于聚合物或电解电容器的等效串联电阻(ESR)相对较大,因而会出现此相位纹波,并使系统保持稳定。但是,陶瓷电容器的ESR则不足以保证FB上的纹波电压和电感电流同相。

 

MPS通过在FB上添加RC补偿电路从而产生与电感同相的纹波来解决此问题(参见图8)。


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图8: 采用COT控制的RC补偿网络


添加RC补偿电路可以为瓷板电容器提供稳定的输出。NB638芯片即采用这种解决方案来保持其稳定性(请参见图9)。NB679是带陶瓷电容器的类似设备,但它没有RC补偿电路,而是在内部对FB电压产生额外的斜坡补偿。

 

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图9: NB638


除了陶瓷电容器的不稳定性之外,使用COT控制还可能出现输出电压调整率方面的问题(见图10)。我们知道,COT控制模式下,FB电压纹波引起的实际输出电压会超过VREF设置的目标输出电容。由于不同的纹波电压会导致不同的输出电压,因此调整率可能会出现问题(请参见图10)。

 

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图10


为解决此问题,COT控制可以引入慢速EA。这种慢速EA消除了由FB纹波引起的高输出电压所致问题,从而确保了实际的输出电压和设置电压保持一致(参见图11)。

 

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图11: 恒定的输出和设置电压


慢速EA带来的另一个好处是它不会影响快速变化的瞬态响应。

 

由于其快速的瞬态响应和简单的环路补偿,COT控制非常适合提供内核功率的电源。这种内核随时间推移将处理越来越多的数据,所需电流也会越来越多。相应的COT控制也从单相控制逐渐发展为单相多路并联控制,再到多相多回路控制。

 

MPS的数字COT控制不仅可以实现多相、多回路控制,而且还可以支持相数配置、自动回路补偿以及其他优势,这极大地简化了设计并提高了产品设计效率。MP2888A就是其中一款数字COT控制器,它曾获得2018年全球电子成就奖。有关MPS COT控制解决方案的更多信息,请查阅我们的产品。



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