【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(dòng)態(tài)紋波。恒定導(dǎo)通時(shí)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(jì)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(qǐng)參見圖1）。在COT控制流行起來之前，工程師們通常會(huì)采用這兩種方法。
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(huì)用到誤差放大器（EA）。圖2顯示了一個(gè)誤差放大器的原理圖示例。
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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作。為了使電路穩(wěn)定，每個(gè)參數(shù)（C1、R1、C2、R2和C3）都必須分別設(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作既繁瑣又耗時(shí)。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(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，誤差放大器的RC網(wǎng)絡(luò)會(huì)延遲輸出電壓的變化，然后再對(duì)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(huì)立即響應(yīng)。相反，它根據(jù)設(shè)定的時(shí)鐘頻率給出響應(yīng)，這更是拖慢了瞬態(tài)響應(yīng)（見圖3）。
圖3: 補(bǔ)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(jì)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(bǔ)償?shù)谋匾瑥亩薘C的延遲。同時(shí)，可以用具有電壓控制導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器的時(shí)鐘控制PWM發(fā)生器代替時(shí)鐘，從而消除時(shí)鐘延遲（參見圖4）。這種解決方案即采用了恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制。
圖4: 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制
圖4顯示了恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制最基本的示例。其基本原理為：當(dāng)FB電壓低于參考電壓（VREF）時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)COT脈沖來控制上管MOSFET的開啟（見圖5）。
圖5: 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制相關(guān)參數(shù)
但是，如果每個(gè)COT脈沖的輸入電壓不同，則可能會(huì)改變開關(guān)頻率。為解決這個(gè)問題，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制需檢測(cè)輸入電壓，并在輸入電壓變化時(shí)實(shí)現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率。同樣，當(dāng)輸出電壓達(dá)到不同的輸出電壓時(shí)，COT控制會(huì)檢測(cè)恒定的開關(guān)頻率。圖6顯示了常用的COT控制原理圖。
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(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況（請(qǐng)參見圖7）。
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(duì)較大，因而會(huì)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(bǔ)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）。
圖8: 采用COT控制的RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
添加RC補(bǔ)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(qǐng)參見圖9）。NB679是帶陶瓷電容器的類似設(shè)備，但它沒有RC補(bǔ)償電路，而是在內(nèi)部對(duì)FB電壓產(chǎn)生額外的斜坡補(bǔ)償。
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(shí)際輸出電壓會(huì)超過VREF設(shè)置的目標(biāo)輸出電容。由于不同的紋波電壓會(huì)導(dǎo)致不同的輸出電壓，因此調(diào)整率可能會(huì)出現(xiàn)問題（請(qǐng)參見圖10）。
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(shí)際的輸出電壓和設(shè)置電壓保持一致（參見圖11）。
圖11: 恒定的輸出和設(shè)置電壓
慢速EA帶來的另一個(gè)好處是它不會(huì)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(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)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(shí)間推移將處理越來越多的數(shù)據(jù)，所需電流也會(huì)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(shí)現(xiàn)多相、多回路控制，而且還可以支持相數(shù)配置、自動(dòng)回路補(bǔ)償以及其他優(yōu)勢(shì)，這極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jiǎng)。有關(guān)MPS COT控制解決方案的更多信息，請(qǐng)查閱我們的產(chǎn)品。
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