上一篇講述了開關(guān)電源的峰值電流控制模式，這一篇繼續(xù)總結(jié)一下另外一種固定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制模式的內(nèi)容。傳統(tǒng)的峰值電流模式在小占空比的應(yīng)用中，受到最小占空比的限制，動(dòng)特性做不到最優(yōu)，而COT固定開通時(shí)間的控制方式，關(guān)斷時(shí)間長，有充足的時(shí)間來檢測“谷點(diǎn)電流”，對于小占空比的應(yīng)用，具有天然的獨(dú)特的優(yōu)勢，這些年來，得到一些芯片原廠的青睞，推出了許多相應(yīng)的產(chǎn)品，從而廣泛的應(yīng)用到一些低電大電流以及需要好的動(dòng)特性的系統(tǒng)中。下面就聊聊它的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景等。
如圖1所示，是采用COT控制模式的BUCK電路原理圖，如果僅關(guān)注控制部分，則它由誤差放大器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、比較器、電流采樣電路等部分構(gòu)成。誤差放大器的同相端連接參考電壓VREF，反向端連接feedback電壓，輸出端COMP電壓為Vc。誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，反向端輸入信號為下管電流采樣信號，它由輸出電流采樣電路轉(zhuǎn)化得到。因此，COT模式也是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋有二個(gè)環(huán)路：電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。
圖1.COT模式控制電路
圖2. 穩(wěn)態(tài)下控制電路波形圖
圖2所示為穩(wěn)態(tài)條件下COT控制模式的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形圖，iL是電感電流信號，iVS是下MOS管的電流采樣信號,VQ是PWM驅(qū)動(dòng)信號。
它的工作原理如下：
（1）若初始的狀態(tài)是高端的主開關(guān)管開通，電感激磁，電流線性上升，高端開關(guān)管導(dǎo)通一段固定的時(shí)間，此時(shí)間由內(nèi)部的定時(shí)器設(shè)定。
（2）當(dāng)高端開關(guān)管關(guān)斷后，低端開關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)電感開始去磁，電感電流線性下降，同樣，低端開關(guān)管的電流隨著時(shí)間線性下降，電流檢測電阻為低端開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，所以電流檢測信號的電壓信號也線性下降，由于此時(shí)Vc低于Vs，電流比較器輸出為低電平。高端開關(guān)管維持關(guān)斷，而低端開關(guān)管維持導(dǎo)通。
（3）當(dāng)電流檢測電阻的電壓信號繼續(xù)下降，直到Vc等于Vs時(shí)，電流比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，從低高電平翻轉(zhuǎn)為高電壓，邏輯控制電路工作，關(guān)斷低端的續(xù)流開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號，高端的主開關(guān)管開通，同時(shí)送出觸發(fā)信號給定時(shí)器，啟動(dòng)定時(shí)器工作。高端開關(guān)管導(dǎo)通后，電感開始激磁，電流線性上升，進(jìn)入下一個(gè)周期，如此反復(fù)。
其瞬態(tài)調(diào)節(jié)原理如下：
（1）當(dāng)輸出負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓降低，因此，Vc增大，線性降低的電感電流在較高的值就和Vc相等，使電流比較器翻轉(zhuǎn)，因而，續(xù)流二極管導(dǎo)通較短的時(shí)間，而高端的主開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間不變，也就是開關(guān)周期變短，開關(guān)頻率增大，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。
（2）當(dāng)輸出負(fù)載減小時(shí)，輸出電壓增大，因此，Vc降低，線性降低的電感電流只有在更低的值才能和Vc相等，使電流比較器翻轉(zhuǎn)，因而，續(xù)流二極管導(dǎo)通較長的時(shí)間，而高端的主開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間不變，也就是開關(guān)周期變長，開關(guān)頻率降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。
注意到：這個(gè)基本控制邏輯是不完整的，SW變高Ton時(shí)間之后，如果輸出不足夠高，導(dǎo)致反饋電壓仍然低于基準(zhǔn)電壓怎么辦？所以需要引入一個(gè)額外的邏輯：當(dāng)上邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)（SW變高ton時(shí)間之后），如果反饋電壓仍然低于基準(zhǔn)電壓，則上邊功率管關(guān)斷Toffmin時(shí)間之后重新打開。事實(shí)上這個(gè)額外的邏輯并不這樣做，而是：當(dāng)SW變高Ton時(shí)間之后，上邊開關(guān)管強(qiáng)制關(guān)斷Toffmin時(shí)間，Toffmin時(shí)間之后，如果反饋電壓仍然低于基準(zhǔn)電壓，則上邊開關(guān)管重新打開。
COT控制下的Buck不存在輸出電壓會(huì)飄得很高，或者直接拉低的不穩(wěn)定（不會(huì)出現(xiàn)正反饋的情況）。COT控制下的Buck主要會(huì)存在次諧波振蕩（subharmonic oscillation）的不穩(wěn)定情況。
但如果輸出的電壓紋波是電容紋波占主導(dǎo)時(shí)，顯然不能讓電路工作于很好的狀態(tài)：此時(shí)輸出電容的上的紋波相位與電感上電流的相位相差幾乎是 90°，這時(shí) COT 控制電路會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)一種叫 Multi-Pulse[Maximum Frequency for Hysteretic Control COT Buck Converters]的工作狀態(tài)。如下圖3和圖4所示：
圖3. ESR主導(dǎo)波形圖（左）容性主導(dǎo)波形圖（右）
圖4. Multi-pulse波形圖
可以想象到，在一個(gè) TON 結(jié)束后，由于輸出紋波相位的延遲，紋波還遲遲不能上升到大于 Vref 的數(shù)值，所以在緊接一個(gè) Toff_min 后再次進(jìn)入 TON 狀態(tài)。 Multi-Pulse 不僅會(huì)使輸出紋波加大，而且電感電流也可能會(huì)沖到會(huì)讓電感飽和的高值。正常工作的 COT 電路是不允許出現(xiàn)這種情況的
COT模式的優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以工作在寬的輸入電壓范圍。
（2）可以工作在極低占空比條件。
（3）易于檢測電流。
（4）快速負(fù)載響應(yīng)，從下圖5可以看到，谷點(diǎn)電流模式在當(dāng)前的周期就可以響應(yīng)負(fù)載的變化，而峰值電流模式只能在下一個(gè)開關(guān)周期才能響應(yīng)負(fù)載的變化。
圖5. COT&峰值電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)對比
COT模式的缺點(diǎn)：
（1）在占空比小于50%時(shí)需要斜坡補(bǔ)償。
（2）變頻工作時(shí)電感不易優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（3）在變頻方式工作時(shí)，當(dāng)輸入和輸出電壓變化時(shí)，高端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間均恒定固定不變化，那么系統(tǒng)將工作在較寬的頻率范圍，不利于電感的優(yōu)化工作。
因此，通常在控制器內(nèi)部需要一個(gè)前饋電路，使高端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓成反比的變化，隨輸出電壓成正比的變化，從而維持在輸入電壓變化和負(fù)載變化時(shí)，變換器近似的工作于定頻方式。
綜上所述，COT 穩(wěn)壓器不需要環(huán)路補(bǔ)償，但是他能提供優(yōu)異的瞬態(tài)性能。COT可以使用常規(guī)定頻 DC-DC 系統(tǒng) 1/2 甚至 1/4 的小電感，實(shí)現(xiàn)輸出電壓 Ripple 控制。非常適合應(yīng)用在服務(wù)器、AI、通信基礎(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域，給一些低壓大電流，高負(fù)載變化率的ASIC芯片或CPU、FPGA等核心芯片供電。
VISHAY最近推出的SIC45x系列POL IC采用的就是上述COT控制模式，外圍器件非常少，既節(jié)省了占板面積又簡化了電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)內(nèi)部集成了RAMP產(chǎn)生電路，可以避免次諧波振蕩問題，其應(yīng)用電路和內(nèi)部控制架構(gòu)如圖6所示，詳細(xì)資料可通過官網(wǎng)查看（vishay.com）。
圖6. VISHAY SIC45x POL 應(yīng)用電路和控制架構(gòu)