DC-DC----COT反饋控制模式

引言：滯后控制的微小變化使頻率偏移最小化，但具有單個電壓閾值電平，實現了快速瞬態響應。接通時間由一個單觸發定時器控制，并且與輸入電壓成比例。當反饋電壓下降到參考低閾值以下時，截止時間終止。在需要快速瞬態響應，而不需要固定或可預測的開關頻率時，滯后控制非常有效。

1.滯回模式（恒定導通時間COT）

電源常用的兩種控制方式，電壓控制和電流控制。不論是電壓控制還是電流控制都要用到誤差放大器，它實際上就是帶RC的運放，如圖10-1：

圖10-1：內部誤差放大器結構圖

為了讓電路工作穩定，通常需要合理設計其中每一個參數，另外如果輸出電壓發生變化，誤差放大器的RC和時鐘電路會把輸出電壓的變化延遲一段時間，再反應到控制電路，這樣會降低響應速度，不然改善瞬態響應可能又需要重新去設計誤差放大器的參數。如何平衡穩定性和瞬態響應又是一個比較矛盾的問題，于是我們把誤差放大器換成比較器，同時把時鐘控制的PWM發生器換成電壓控制的On Time發生器，這個就是最基本的COT控制（圖10-2），它的基本原理就是FB電壓低于參考電壓，就產生一個恒定導通時間的脈沖來控制上MOS的導通，做到既沒有延時，也沒有RC補償。

圖10-2：基本COT控制圖

但是如果輸入電壓不一樣，開關頻率就會發生變化，于是COT控制會檢測輸入電壓，實現輸入電壓變化時開關頻率很低。

（K為常數）

同樣，COT控制也會檢測輸出電壓，實現不同輸出電壓時，開關頻率恒定。這才是一個常用的COT控制，但是與此同時如果輸出全是磁片電容，還是會遇到不穩定的情況。因為COT控制需要FB電壓存在一個和電感電流同相位的紋波，所以需要一定的ESR來穩定電路系統，ESR比較大的高分子電容或者是電解電容，這個同一相位的網絡是存在的，穩定沒有問題。但是對于磁片電容，ESR太小，沒有辦法保證FB上的紋波電壓和電感電流同相位，所以就沒有辦法保證穩定。為了解決這個問題，常用的做法是在FB上加上如圖所示的RC電路，產生一個和電感電路同相位的紋波：

圖10-3：帶外置RC電路的COT控制

有的DC-DC是采用這種方式來穩定的。但有的是內部產生一個額外的斜坡補償。另外COT控制方式，FB電壓紋波導致實際的輸出電壓是比設定的目標電壓要高的，這樣就有了調整率的問題。于是引入一個速度很慢的EA（error AMP），用來調節實際的輸出電壓和設定的電壓一致，但是并不會影響瞬態響應。

綜上所述COT控制和紋波息息相關，所以COT控制也叫滯回控制方式，是針對需要極快負載瞬態響應的負載（例如CPU和FPGA的電源）的需求而開發出來的一種方式。因其可以檢測并控制輸出紋波，故也被稱為“紋波控制”方式（圖10-4）。

圖10-4：紋波檢測

這種方式由比較器來直接監控輸出電壓，無需借助誤差放大器。比較器通過檢測輸出電壓是否已超過或低于設置的閾值來直接控制開關的 ON/OFF。具體包括兩種方式，一種是導通時間恒定，檢測是否低于閾值；另一種是關斷時間恒定，檢測是否超過閾值（圖10-4）。

10-5：滯回控制模式結構圖

10-6：模擬負載變化響應波形

通過圖10-6可以看到脈沖寬度恒定，但是振蕩頻率通過ON時間進行調整，黃色框內：無滯后，對負載變動可快速響應，延遲短，響應快，工作原理簡單，無需相位補償的調整，設計相對簡單，振蕩頻率因輸入輸出條件和負載而變動。

圖10-7：COT振蕩

ON時間控制的振蕩頻率計算：
輸入輸出條件與Ton、Toff的關系如下：

Ton：Toff=Vout：Vin-Vout

假設Vin=5V，Vout=1V，ON時間恒定200us，則振蕩頻率為：

200ns:800ns=1:5-1

那么：

F=1/（200ns+800ns)=1MHZ

這種方式的優點是因為由比較器直接控制，所以瞬態響應速度非常快，而且不需要相位補償。缺點是開關頻率波動；抖動（Jitter）大；為了檢測輸出紋波需要使用較大ESR（等效串聯電阻）的輸出電容器。但是由于這些缺點已經逐步得到改善，所以采用這種方式的DC-DC越來越常見。當反饋電壓大于參考高閾值時，PWM（SW）接通時間（Ton）終止，而當反饋電壓小于參考低閾值時，關斷時間（Toff）終止。不需要補償組件。PWM開關頻率不受控制，并且隨著負載電流而變化，并且在較輕的負載下提供更高的效率。

COT控制由于快速的瞬態響應和簡單的環路補償，廣泛應用于主流Core芯片的供電。相應的，COT控制也經歷了單相控制到單相多路并聯再到多相多環路控制的發展歷程。數字控制、COT支持像素自行編程，自動環路補償，極大的簡化設計，提高產品設計效率。

2 .COT with ERM

COT調節器的一種變體，它感測低端MOSFET的一部分關斷時間電流，并將其注入誤差比較器以模擬紋波。這種控制模式具有與COT相同的快速瞬態響應和較少的外部組件優勢。當使用低ESR陶瓷電容器時，或當不需要外部紋波注入電路時，推薦使用COT with ERM。

3 .D-CAP

D-CAPTM

類似于COT控制，除了單觸發定時器產生與輸入電壓和輸出電壓成比例的接通時間脈沖。當下降的反饋電壓等于參考電壓時，產生新的PWM導通脈沖。通過控制回路中的高速比較器實現對負載變化的快速響應。D-帽? 與滯后控制相比，使頻率偏移最小化。當需要快速瞬態響應并且使用POSCAP或中等ESR輸出電容器時并且不需要環路補償計算或組件，可以使用D-CAPTM。

圖10-8：調整波形

D-CAP2TM

D-CAP2TM略有變化，具有與D-CAP相同的瞬態和外部組件優勢。這種控制模式支持陶瓷輸出電容，無需外部電路。來自內部紋波注入電路的信號被直接饋送到比較器，從而減少了對電容器ESR輸出電壓紋波的需求。斜坡由輸出電感器模擬。當需要低ESR陶瓷輸出電容器的快速瞬態響應時可以使用D-CAP2TM。

D-CAP3TM

D-CAP2TM的變體，具有相同的瞬態和外部組件優點。轉換器內置采樣保持電路，以消除D-CAP2TM模擬斜坡電路產生的偏移電壓，從而提高電壓參考精度。非常適合為低核心電壓FPGA、ASIC和DSP供電。當使用陶瓷輸出電容器時，需要更嚴格的參考電壓精度和快速的瞬態響應，可以使用D-CAP3TM。

圖10-9：D-CAP3TM原理

4.DCS

直接控制，無縫過渡到節能模式將遲滯控制的優點與電壓模式控制的優點相結合，前者可在無補償部件的情況下實現快速瞬態響應，后者可在從PWM到節能模式（PSM）的無縫轉換中實現高直流精度。

圖10-10：DCS控制邏輯