DC/DC變換器中恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的優(yōu)勢(shì)
發(fā)布時(shí)間:2020-12-17 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文探討了在DC/DC變換器中,為什么恒定導(dǎo)通時(shí)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(gòu)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(lán)色部分)進(jìn)行比較,以生成控制MOSFET的PWM脈沖。
在傳統(tǒng)控制架構(gòu)中,有兩種因素會(huì)影響輸出負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)性能。
第一因素是誤差放大器。在電壓反饋環(huán)路中,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大器充當(dāng)了低通濾波器的作用,從而拉長(zhǎng)了變換器對(duì)輸出電壓變化的響應(yīng)時(shí)間。
圖 1:電流模式DC/DC架構(gòu)圖
圖 2 顯示了誤差放大器延遲對(duì)環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)的影響。在這個(gè)示例中,負(fù)載電流從0A快速上升到20A,從底部曲線可以看到,VOUT在恢復(fù)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(gè)周期內(nèi),它才達(dá)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(duì)輸出下沖的影響
第二個(gè)因素為內(nèi)部時(shí)鐘引起的開(kāi)關(guān)周期延遲,內(nèi)部時(shí)鐘將脈寬調(diào)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(dǎo)通時(shí)序由時(shí)鐘周期決定。即使采用PWM占空比控制上管MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間,在下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始之前它也無(wú)法再次導(dǎo)通。一旦上管MOSFET關(guān)斷,負(fù)載電流會(huì)從0A上升至20A(見(jiàn)圖3)。誤差放大器的輸出會(huì)快速上升來(lái)響應(yīng),但上管MOSFET必須等到下一個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)打開(kāi)。在這期間,輸出電壓持續(xù)下降。陰影區(qū)域?yàn)樨?fù)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(huì)引起輸出電壓下沖。
圖 3:內(nèi)部PWM時(shí)鐘周期對(duì)輸出下沖的影響
與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比,恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(COT)結(jié)構(gòu)則非常簡(jiǎn)單,它通過(guò)反饋電阻來(lái)采樣輸出電壓(見(jiàn)圖4),然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進(jìn)行對(duì)比,生成固定的導(dǎo)通時(shí)間脈沖來(lái)導(dǎo)通上管MOSFET。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間脈沖到期后,上管MOSFET關(guān)斷(且下管導(dǎo)通)。
圖 4:恒定導(dǎo)通時(shí)間DC/DC架構(gòu)
COT架構(gòu)無(wú)需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),變換器的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單,因?yàn)樵骷兊酶伲矡o(wú)需花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)調(diào)整補(bǔ)償值??煽康腃OT工作模式要求反饋節(jié)點(diǎn)上的輸出電壓斜坡足夠大以保證無(wú)抖頻工作。因此,斜坡應(yīng)大于任一隨機(jī)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(chǎn)生的反饋斜坡電壓主導(dǎo)電感的較小串聯(lián)電阻。在這種情況下,一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)就足夠了 (參見(jiàn)圖5),通常可用于電解電容或POSCAP電容。
圖 5:來(lái)自輸出電容ESR的COT反饋輸入斜坡電壓
圖 6:來(lái)自電感斜坡轉(zhuǎn)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(lái)生成所需的反饋斜坡電壓 (參見(jiàn)圖6)。
需要注意的是,反饋電壓會(huì)直接輸入到比較器中,以驅(qū)動(dòng)定時(shí)控制塊,沒(méi)有誤差放大器或內(nèi)部固定頻率會(huì)導(dǎo)致延遲從而影響瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
COT控制架構(gòu)使用參考比較器輸出來(lái)觸發(fā)定時(shí)脈沖發(fā)生器,而不是使用固定頻率的時(shí)鐘。脈沖出現(xiàn)的頻率由輸出負(fù)載電流決定。在具有穩(wěn)定輸出電流要求的連續(xù)導(dǎo)通模式下,COT控制以近似固定的頻率運(yùn)行。然而,在負(fù)載電流由低向高的跳變過(guò)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(dá)到正常的輸出電壓,脈沖頻率降低到維持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出電壓所需的水平。
另外,COT控制的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)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(fù)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),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(duì)比圖。對(duì)于相同的負(fù)載電流升壓變換器來(lái)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(jìn)一步減小輸出下沖。
圖 7:對(duì)負(fù)載跳變的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)比圖(電流模式對(duì)比COT控制模式)
COT 變頻控制結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:在輕載時(shí),脈沖頻率得到了進(jìn)一步的降低,可以保持較高的效率。因?yàn)橹挥挟?dāng)輸出負(fù)載需要時(shí)才會(huì)發(fā)出脈沖,所以與具有永久開(kāi)關(guān)時(shí)鐘的電壓或電流模式架構(gòu)相比,可以實(shí)現(xiàn)更小的內(nèi)部開(kāi)關(guān)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(shè)備/具有省電模式設(shè)備的最佳選擇。
綜上所述,COT控制由于其瞬態(tài)響應(yīng)速度快、效率高、元件少、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),完勝傳統(tǒng)電流和電壓模式控制方法解決方案。
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