DCDC中恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式COT介紹

精品文檔-下載后可編輯DCDC中恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式COT介紹1、DC-DC恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式（COT）介紹TCL多媒體研發(fā)中心設(shè)計(jì)5所賀順亮hesl近年來(lái)，很多DC-DC廠(chǎng)家推出了恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式（COT）的DC-DC，本文試圖剖析這種控制模式的原理，幫助設(shè)計(jì)人員正確使用這種控制模式。

如下圖1所示，為傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路結(jié)構(gòu)。

U1為恒定時(shí)間產(chǎn)生器，U1的輸入為Vin和Vout。

2、Vout經(jīng)過(guò)電阻R1和R2分壓，得到反饋電壓VFB，被送到比較器U2的反相輸入端，比較器U2的同相輸入端為參考電平VREF,比較器U2的輸出連接到與門(mén)U4的一個(gè)輸入端。

3、與門(mén)U4的另外一個(gè)輸入端為最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3的輸出端（后面介紹最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器）。

4、與門(mén)U4的輸出端連接到RS觸發(fā)器U5（關(guān)于RS觸發(fā)器，請(qǐng)見(jiàn)附錄的置位端S，RS觸發(fā)器U5的復(fù)位端R接收恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1的輸出信號(hào)。

5、RS觸發(fā)器U5的輸出Q一方面送給MOS驅(qū)動(dòng)器U6，另一方面又反饋回恒定計(jì)時(shí)器U1和最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3。

ESR為輸出電容Co的等效串聯(lián)電阻。

6、8工作過(guò)程：圖1傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路結(jié)構(gòu)電路運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸出電壓Vout的反饋信號(hào)VFB低于參考電平VREF時(shí)，比較器U2輸出為正。

7、若最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3的輸出也為正，則與門(mén)U4的輸出為正，根據(jù)RS觸發(fā)器的特性，S端為正，使之輸出Q為正。

8、此正的信號(hào)Q通過(guò)驅(qū)動(dòng)器U6將上管M1打開(kāi)，下管M2關(guān)閉，使得輸出電壓Vout升高，反饋信號(hào)VFB也升高。

同時(shí)，此正的信號(hào)Q觸發(fā)恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1開(kāi)始計(jì)時(shí)。

當(dāng)輸出電壓Vout升高至VFB大于參考電平VREF，比較器U2輸出為負(fù)，進(jìn)而知RS觸發(fā)器的置位S端為零，根據(jù)RS觸發(fā)器的特性，S端為零，其輸出Q保持原來(lái)的狀態(tài)。

當(dāng)恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，其輸出端O變?yōu)楦撸M(jìn)而RS觸發(fā)器U5的置位R端為高，使得RS觸發(fā)器的輸出變?yōu)?。

驅(qū)動(dòng)器U6關(guān)斷上管M1，開(kāi)啟下管M2，輸出電壓Vout開(kāi)始下降。

同時(shí)觸發(fā)最小時(shí)間產(chǎn)生器U3開(kāi)始計(jì)時(shí)。

U3被觸發(fā)后，在預(yù)設(shè)的最小關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，輸出一直為0。

增加最小時(shí)間產(chǎn)生器U3的目的是：避免由于噪聲干擾等其它原因U2輸出為正，錯(cuò)誤地開(kāi)始一個(gè)新的周期。

從而保證上管Q1有一個(gè)最小關(guān)斷時(shí)間。

最小時(shí)間產(chǎn)生器U3被觸發(fā)后，經(jīng)過(guò)最小關(guān)斷時(shí)間后，其輸出又變?yōu)檎?/p>

當(dāng)輸出電壓Vout下降，使得反饋信號(hào)VFB低于參考電平VREF時(shí)，重新開(kāi)始一個(gè)新的周期。

應(yīng)當(dāng)指出，負(fù)載電流較小時(shí)，電感電流可能下降至0甚至反向流動(dòng)。

為了防止電感電流反向流動(dòng)，通常的做法是在電感電流下降至0時(shí)，將下管M2關(guān)斷或使其工作為一個(gè)等效微電流源。

圖2為圖1所示電路的各點(diǎn)工作波形。

當(dāng)電路出于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于ESR和負(fù)載相比較，ESR遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，可以認(rèn)為電感電流的紋波部分全部流經(jīng)ESR和理想電容Co，從而在ESR產(chǎn)生一個(gè)與電感電流紋波部分同相且幅值與之成比例的一個(gè)紋波電壓。

應(yīng)當(dāng)注意到，由于電容的積分作用，產(chǎn)生的電容紋波電壓與電感電流紋波部分之間存在90度的相位延遲。

當(dāng)ESR遠(yuǎn)大于理想電容Co的容抗時(shí)（此種情況，例如大容量電解電容濾波），ESR兩端的紋波電壓占主導(dǎo)作用，此時(shí)，輸出電壓比較穩(wěn)定，如圖2所示。

當(dāng)ESR遠(yuǎn)小于理想電容Co的容抗時(shí)（此種情況，例如陶瓷電容濾波），理想電容Co兩端的紋波電壓占主導(dǎo)作用，此時(shí)，輸出電壓不穩(wěn)定，如圖3所示。

圖2ESR遠(yuǎn)大于Co容抗時(shí)的各點(diǎn)工作波形圖3ESR遠(yuǎn)小于Co容抗時(shí)的各點(diǎn)工作波形由圖2和圖3可見(jiàn)，傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路需要具有較大ESR的電容（如電解電容、固態(tài)高分子電容等）來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)。

但是，有些手持設(shè)備或者移動(dòng)設(shè)備，裝不下體積大的的電解電容，必須使用體積較小的陶瓷電容，而陶瓷電容的ESR非常小，因此有必要提出一種在低ESR下仍能穩(wěn)定工作的恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路。

下圖4為傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC實(shí)際電路（TI提供）。

圖4傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC實(shí)際電路下圖5為恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生器具體電路。

在圖4中，當(dāng)VFB低于參考電平VREF,比較器U2輸出為正，進(jìn)而RS觸發(fā)器U5輸出為正，開(kāi)關(guān)S2被非常短暫的打開(kāi)一下，將Con上的電荷泄放掉，使得比較器的輸出端O變?yōu)榈?，然后關(guān)閉。

圖5恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生器電容Con上被恒流源（恒流源大小為Vin/Ron）開(kāi)始重新充電，累積電荷，電壓從0重新開(kāi)始上升，在Con上的電壓上升到Vout之前，比較器的輸出端O保持為低。

當(dāng)Con上的電壓上升到Vout時(shí)，比較器的輸出端O開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，變?yōu)楦撸瞎荛_(kāi)始關(guān)閉。

這樣恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton通過(guò)如下計(jì)算得到：Ton=Q/I=VoutCon=VoutRonCon=D1其中：D=Vout,F=VinVinFSWRon1VinSWRonCon適合低ESR的陶瓷電容濾波的恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路：為了適合低ESR的濾波電容，增加Cac、Rr、Cr，如下圖6綠色虛線(xiàn)框內(nèi)所示。

將虛線(xiàn)框內(nèi)的局部單獨(dú)取出來(lái)分析，如圖7所示，Ri1為比較器U2(LoopComparator)的輸入內(nèi)阻，Ri2為恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1的輸入內(nèi)阻。

如果DC-DC電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，Vout保持不變，可視為恒定值，對(duì)高頻交流紋波來(lái)說(shuō),Vout短交流對(duì)地短路。

圖6適合低ESR濾波電容的恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC實(shí)際電路圖7恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC紋波產(chǎn)生電路當(dāng)上管M1導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)電壓為Vin，Vin通過(guò)Rr，給電容Cr和Cac充電。

如果iCr?iCac，實(shí)際上要滿(mǎn)足此條件，必須ZCac+(R1/R2/Ri?ZCr，又Cac為耦合電容（將產(chǎn)生的紋波電壓幾乎全部耦合到FB端口上），所以，又必須要求ZCac=(R1/R2/Ri。

所以，Cac、Rr、Cr的約束條件為：ZCacZ+(R1/R2/Ri?=(R1/R2/RiZCrCac計(jì)算容抗ZCr,ZCac時(shí)，取DC-DC開(kāi)關(guān)頻率Fsw。

如果iCr?iCac，流過(guò)Rr的電流，幾乎全流過(guò)Cr，Cr被充電，兩端的電壓開(kāi)始上升。

充電電流大小為：iCrVin-VBRr若Cr上兩端的電壓降VCr相比輸出電壓Vout很小，即Vout?Vcr，亦即電容Cr兩端產(chǎn)生的紋波峰峰值相對(duì)輸出電壓Vout很小，要滿(mǎn)足此條件，必須充電時(shí)間常數(shù)t=RrCr?Ton。

則：則輸出電流為：VB=Vout+VCrVoutiVin-VBVin-VoutCrRrRr上管M1打開(kāi)后，經(jīng)過(guò)Ton時(shí)間后，Cr兩端的電壓上升了：DV=1DQ=1iTon=1Vin-Vout1D=(Vin-Vout)DCr升CrCrCrCrRrFswRrCrFsw同理，當(dāng)上管M1關(guān)閉，下管M2導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過(guò)Toff時(shí)間后，Cr兩端電壓下降了。

DV=1DQ=1iToff=10-Vout1（1-D）=-Vout（1-D）Cr降CrCrCrCrRrFswRrCrFswCr兩端如此反復(fù)充放電，其電壓隨之反復(fù)升降，產(chǎn)生了“人為”的紋波。

不再要求輸出電容具有一定的ESR，這樣，就可以使用低ESR的陶瓷電容了。

Cac、Rr、Cr的約束條件綜合為：ZCacZCac+(R1/R2/Ri?=(R1/R2/RiZCrt=RrCr?Ton-(DV=(Vin-Vout)D=Vout-(CrRrCrFsw其中，（式可化簡(jiǎn)為：RrCr?1-1TonD一般占空比D5，故去掉（式，最后的約束條件變?yōu)椋?Vin-Vout)D=VoutRrCrFswCrV=D=(R1/R2/RiCacZZCac+(R1/R2