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恒定導(dǎo)通時間控制的過去與現(xiàn)在

發(fā)布時間:2021-12-13 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無論是無線PA系統(tǒng)還是CPU內(nèi)核,工程師們常常需要在帶寬和系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性之間做出權(quán)衡,以獲得較低的動態(tài)紋波。恒定導(dǎo)通時間(COT)控制在電源管理中日益受到關(guān)注,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于計算領(lǐng)域的核心IC電源中。隨著人工智能的普及,COT的應(yīng)用還將更加廣泛。

 

在討論COT控制之前,我們先來了解一下另外兩種控制方法:電壓控制和電流控制(請參見圖1)。在COT控制流行起來之前,工程師們通常會采用這兩種方法。

 

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圖1: 電壓控制和電流控制


電壓控制和電流控制系統(tǒng)中常會用到誤差放大器(EA)。圖2顯示了一個誤差放大器的原理圖示例。

 

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圖2: 誤差放大器原理圖


上圖顯示了EA如何在電阻-電容(RC)補償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作。為了使電路穩(wěn)定,每個參數(shù)(C1、R1、C2、R2和C3)都必須分別設(shè)計,這項工作既繁瑣又耗時。而且除了穩(wěn)定性問題之外,通常還存在瞬態(tài)響應(yīng)問題。

 

當輸出電壓發(fā)生變化時,誤差放大器的RC網(wǎng)絡(luò)會延遲輸出電壓的變化,然后再對控制電路做出反應(yīng),因此降低了響應(yīng)速度。即使控制電路收到有關(guān)輸出電壓變化的反饋,它也不會立即響應(yīng)。相反,它根據(jù)設(shè)定的時鐘頻率給出響應(yīng),這更是拖慢了瞬態(tài)響應(yīng)(見圖3)。

 

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圖3: 補償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器工作


為了提高瞬態(tài)性能,可能又需要重新設(shè)計誤差放大器和RC網(wǎng)絡(luò)(C1、R1、C2、R2和C3)的參數(shù)。這意味著工程師必須思考如何在穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)之間做出平衡。

 

為了解決這些問題,我們用比較器替換誤差放大器,這樣就消除了補償?shù)谋匾?,從而消除了RC的延遲。同時,可以用具有電壓控制導(dǎo)通時間發(fā)生器的時鐘控制PWM發(fā)生器代替時鐘,從而消除時鐘延遲(參見圖4)。這種解決方案即采用了恒定導(dǎo)通時間(COT)控制。

 

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圖4: 恒定導(dǎo)通時間控制


圖4顯示了恒定導(dǎo)通時間(COT)控制最基本的示例。其基本原理為:當FB電壓低于參考電壓(VREF)時會產(chǎn)生一個COT脈沖來控制上管MOSFET的開啟(見圖5)。

 

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圖5: 恒定導(dǎo)通時間控制相關(guān)參數(shù)


但是,如果每個COT脈沖的輸入電壓不同,則可能會改變開關(guān)頻率。為解決這個問題,恒定導(dǎo)通時間控制需檢測輸入電壓,并在輸入電壓變化時實現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率。同樣,當輸出電壓達到不同的輸出電壓時,COT控制會檢測恒定的開關(guān)頻率。圖6顯示了常用的COT控制原理圖。

 

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圖6: 常用COT控制原理圖


但是,如果在使用陶瓷輸出電容器(MLCC)的情況下應(yīng)用COT控制,則會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況(請參見圖7)。

 

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圖7: MLCC導(dǎo)致的不穩(wěn)定性


這種不穩(wěn)定的產(chǎn)生是由于COT控制需要FB電壓隨電感電流產(chǎn)生相間紋波。由于聚合物或電解電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)相對較大,因而會出現(xiàn)此相位紋波,并使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。但是,陶瓷電容器的ESR則不足以保證FB上的紋波電壓和電感電流同相。

 

MPS通過在FB上添加RC補償電路從而產(chǎn)生與電感同相的紋波來解決此問題(參見圖8)。


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圖8: 采用COT控制的RC補償網(wǎng)絡(luò)


添加RC補償電路可以為瓷板電容器提供穩(wěn)定的輸出。NB638芯片即采用這種解決方案來保持其穩(wěn)定性(請參見圖9)。NB679是帶陶瓷電容器的類似設(shè)備,但它沒有RC補償電路,而是在內(nèi)部對FB電壓產(chǎn)生額外的斜坡補償。

 

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圖9: NB638


除了陶瓷電容器的不穩(wěn)定性之外,使用COT控制還可能出現(xiàn)輸出電壓調(diào)整率方面的問題(見圖10)。我們知道,COT控制模式下,F(xiàn)B電壓紋波引起的實際輸出電壓會超過VREF設(shè)置的目標輸出電容。由于不同的紋波電壓會導(dǎo)致不同的輸出電壓,因此調(diào)整率可能會出現(xiàn)問題(請參見圖10)。

 

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圖10


為解決此問題,COT控制可以引入慢速EA。這種慢速EA消除了由FB紋波引起的高輸出電壓所致問題,從而確保了實際的輸出電壓和設(shè)置電壓保持一致(參見圖11)。

 

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圖11: 恒定的輸出和設(shè)置電壓


慢速EA帶來的另一個好處是它不會影響快速變化的瞬態(tài)響應(yīng)。

 

由于其快速的瞬態(tài)響應(yīng)和簡單的環(huán)路補償,COT控制非常適合提供內(nèi)核功率的電源。這種內(nèi)核隨時間推移將處理越來越多的數(shù)據(jù),所需電流也會越來越多。相應(yīng)的COT控制也從單相控制逐漸發(fā)展為單相多路并聯(lián)控制,再到多相多回路控制。

 

MPS的數(shù)字COT控制不僅可以實現(xiàn)多相、多回路控制,而且還可以支持相數(shù)配置、自動回路補償以及其他優(yōu)勢,這極大地簡化了設(shè)計并提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。MP2888A就是其中一款數(shù)字COT控制器,它曾獲得2018年全球電子成就獎。有關(guān)MPS COT控制解決方案的更多信息,請查閱我們的產(chǎn)品。



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