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COT控制模式簡述-5

汽車電子技術 ? 來源:開關電源仿真與實用設計 ? 作者:Evan 遠遠 ? 2023-02-08 17:22 ? 次閱讀

COT系列:

COT控制模式簡述part1

COT控制模式簡述part2

COT控制模式簡述part3

COT控制模式簡述part4


在part2《COT控制模式簡述part2》部分中,我們說到了穩(wěn)定性的問題。為了解決紋波大小和輸出穩(wěn)定性之間的矛盾,需要采用額外的紋波注入到vfb中,而SP-Cap以及MLCC的使用就不會成為穩(wěn)定性的掣肘。

下圖(來自參考文獻1)所示的方法比直接ESR產生紋波方法,更進一步。在上端分壓電阻上并聯一個前饋電容Cff,將紋波直接注入到反饋電壓vfb端。這樣做的好處就是輸出電壓的交流紋波值會通過“快速通道”Cff直接注入到Vfb端,輸出電壓紋波峰峰值和反饋電壓vfb的峰峰值是一樣的,而不必經過分壓電阻網絡的衰減(衰減比例為Rfb2/(Rfb1+Rfb2))。

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圖20 TypeII 紋波注入方法

這種方法被稱為Type II 型紋波注入方法,與純ESR產生紋波(也被稱為Type I)相比,ESR的值可以減小,而且Cff和Rfb1還會為系統(tǒng)提供一個零點,用于提升系統(tǒng)的相位裕度。但這種方法似乎有些治標不治本,針對輸出電壓較高的設計相對來說,這種方法會比較適用,而CPU的Vcore低壓大電流工況,就會顯得有些捉襟見肘,此時芯片內部的bandgap參考電壓本身和輸出電壓之間就不會差太多。TI的COT模式芯片被稱為DCAP,Directconnection to the output Capacitor, 應該是出于這種應用而提出的名字。

前饋電容Cff選取也要滿足以下的條件

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該式是保證Cff在fsw下的阻抗要小于分壓網絡的阻抗,從而給交流紋波信號提供一個“快速通道”。上式提供的是一個Cff的最小值,開關頻率選擇滿載工況下的開關頻率。實際應用中,Cff的大小一般都在幾十pF到一兩百pF之間,另外產生紋波的ESR大小仍然需要滿足下式,以保證穩(wěn)定性。

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最常用且最實用的片外紋波注入方式就是這種RCC紋波注入方式,在參考文獻1中也被稱為type III型紋波注入方法,實際上這種方式發(fā)展自基于DCR的電感電流檢測方法。

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圖21RCC紋波注入方式

因此,先看看DCR電流檢測是什么原理。

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圖21 DCR檢測方法

設流過電感的電流為iL,設流過Rx和Cx的電流為ix,設電容Cx兩端的電壓為Vcx,列寫拉普拉斯方程為

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將(2)帶入(1)中,可以得到

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為了讓等式成立,只要令兩端的DC量和含s項分別相等即可。則有

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觀察上述兩式,當L和DCR的時間常數等于Rx和Cx的時間常數,就可以滿足電容兩端的電壓Vcx等于DCR兩端的電壓,從而提取出了電感電流的信息。當時間常數不滿足的時候,則電容兩端的電壓Vcx可以寫為

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當RxCx大于L/DCR時,則電容兩端電壓Vcx電壓會小于DCR兩端電壓;

當RxCx小于L/DCR時,則電容兩端電壓Vcx電壓會大于DCR兩端電壓。

因此,借助這一方法可以獲得與電感電流相位相同的紋波,相當于等效的ESR紋波,而且紋波的幅值還可以根據RC值進行調節(jié),然后利用交流耦合電容Cd取出AC紋波信息疊加到反饋電壓vfb上。這種RCC的紋波注入方式,既滿足了vfb紋波穩(wěn)定性的要求,又可以實現輸出電容可以使用低ESR系列的產品,輸出電壓的紋波也會進一步降低。

我們的目標是只要提取出和電感電流同相位的紋波即可,且紋波峰峰值可以滿足足夠的穩(wěn)定性要求,根據COT的比較器的滯環(huán)環(huán)寬設計,紋波峰峰值最好不會受到滯環(huán)環(huán)寬的影響,以TI的LM5166為例,它的比較器滯環(huán)環(huán)寬為4mV,官方參考設計的紋波峰峰值為20mV。此外還需要考慮輸出電壓大小的影響,輸出電壓越高時,紋波峰峰值的選擇也需要做相應的提高。

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圖22LM5166 內部比較器參數

然而參數設計卻不是這么簡單,需要滿足諸多條件。

為了敘述方便,把RCC紋波注入方式的框圖再貼在下面。DCR的值一般都比較小,因此Cr上的兩端的電壓與輸出電壓和輸入電壓相比非常小。

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圖23RCC紋波注入方式

當PWM開通時,忽略上管Rdson帶來的壓降,則Vsw電壓為輸入電壓Vin,由于電容Cr兩端電壓Vcr比較小,那么可以認為電容Cr的正端電壓基本接近于負端電壓,即為Vout。且需要保證電流幾乎全部流入Cr中,也就是流入電容Cd的電流要遠遠小于電流電容Cr的電流,寫作

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同樣地,在Toff時間內,同步整流管被打開,Vsw電壓接近于0,則電容Cr放電,其放電電流為

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可以看出電容Cr電壓變化值是一樣的,獲得了穩(wěn)定的紋波值。而且紋波的幅值也可以經由上述的兩個表達式計算。電容Cd的任務就是將Cr的紋波通過交流耦合通路,注入到反饋電壓Vfb上,因此根據Type II型方法的經驗需要滿足

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但此時紋波已經不是由ESR來產生了,回顧第二期的穩(wěn)定性討論,只需要在Ton時間段內,保證電容Cr的上升斜率不低于容性紋波的下降斜率即可,則有

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因此RCC紋波注入方式需要滿足(3)、(4)、(5)三個條件,看起來挺復雜,但是卻可以完全解除ESR大小關乎穩(wěn)定性和紋波性能的矛盾,可以說是比較治本了。

接下來,我們討論實際設計是需要考量的條件。

上述的遠遠大于,意味著至少要相差一個數量級,也即最少也差10倍。Zcd阻抗遠遠小于分壓網絡的并聯阻抗,Zcr又要遠遠小于Zcd和分壓網絡的并聯阻抗之和。因此Zcr只需要滿足遠遠小于分壓網絡的并聯阻抗即可。這樣,我們就獲得了Cr的邊界值計算方法為

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根據比較器的滯環(huán)環(huán)寬值,來確定需要注入紋波的峰峰值大小,一般選擇在15mV~25mV附近。當然還需要考慮輸出電壓等級,來確定最終設計值。選定Rr和Cr后,可以根據上面推導的公式計算紋波峰峰值。

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如果實際設計需要考慮低功耗待機,或者說需要低靜態(tài)電流待機,則分壓電阻網絡和Rr都會選擇100k以上的值。所以,Rr的選擇值在10k~500k之間比較合適。選定一個合適Rr之后,利用上述的公式和邊界條件可以得到合適Cr。

比較有意思的是如何選擇Cd。Zcd的阻抗和Zcr的阻抗都要遠遠小于(Rf1||Rf2),Cd和Cr大小關系又如何呢?一般情況下Cd要小于Cr,則有

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Cd的大小選擇會影響變換器的瞬態(tài)響應,Cd越大,動態(tài)響應時間越慢,undershoot越大,Cd越小,動態(tài)響應時間越小,undershoot也越小。

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圖24 不同Cd下的動態(tài)響應

當然,Cd并不是越小越好,Cd最小值要滿足上述公式要求,否則系統(tǒng)同樣會陷入多脈沖振蕩的不穩(wěn)定狀態(tài)中。

針對RCC這種紋波注入方法,還可以換另一個角度理解。

Rr和Cr產生了一個和電感電流同相位的紋波,Cr的正端的DC值接近于輸出電壓,Cr正端的交流值就是產生的紋波峰峰值。和Type II類型的補償相比,RCC這種方法在Cr的正端再造一個據有足夠紋波大小的“輸出電壓”,然后再通過類似Cff一樣的前饋電容將這個交流紋波值注入Vfb信號中。也就是說Cff為什么會對瞬態(tài)響應有影響,它實際上扮演著類似于Type II中前饋電容的角色,而前饋電容可以改善系統(tǒng)的相位裕度,從而提高了動態(tài)響應。

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