本文针对降压Buck芯片,常用的电压模式、电流模式及COT控制架构做介绍。
电压模式控制
如下图所示,FB反馈电压与0.6V参考电压经过运放OPAMP放大后,得到一个控制电压COMP,并与三角波RAMP透过比较器PWM CMP进行比较,产生PWM控制讯号对MOSFET做开关;假设输出反馈回来的电压低于参考电压值时,运放OPAMP放大使COMP电压增加,此时与三角波RAMP比较后,产生更大的占空比使输出电压增加,反之,则COMP电压减少并调低占空比,由于开关管的开关频率为RAMP频率,所以此控制架构为固定开关频率的控制方式。
因反馈系统需要按一定比例、速度去做控制,以避免输出电压出现过冲、过降、震荡等事件发生,所以补偿网络分为I、II及III型补偿,如下图所示,其中I型为C1与R1的组合,目前较少使用,II型是在I型的基础上增加了R2与C2,如果要有较好的高频响应则用到了III型,在II型的基础上增加了R3与C3,在电路上的作用,C2的大小决定了稳定,R2的大小决定了速度,之间的作用是跷跷板取值需要合理,R3C3的作用在于瞬态响应的速度以及结束到稳态的时间。
由于补偿网络的参数受输入、输出电压、电感、频率、电容等等的影响,利用下图的Excel表格以方便参数设计。
电流模式控制
如下图所示,电流模式控制是在电压模式控制的基础上,引入了电感电流讯号做控制,与之相比有较快的瞬态响应,FB反馈电压与参考电压VRef经过运放EAMP放大后,得到一个控制电压COMP,在时钟讯号触发RS正反器为高输出时,透过比较器CMP与电感电流峰值做比较,产生清除讯号清除RS正反器成低输出,输出讯号用以控制开关管的占空比;当输出电压不足使得COMP电压增加,开关管需要导通更长的时间,进而产生更高的电感电流后才关断开关管,使得输出的能量增加,反之亦然,由于开关管的开关频率为时钟频率,所以此控制架构为固定开关频率的控制方式;由于电流模式控制在占空比大于50%时容易因干扰造成不稳定,所以需要斜坡补偿Slope,作法是在COMP引入一个负斜率的减少量,抑或是在电感电流讯号引入一个正斜率的增加量,其引入量斜率mc、导通时电流斜率m1与关断时电流斜率m2应符合(m2-mc)/(m1-mc)<1。
电压模式使用的运放OPAMP与电流模式使用的运放Eamp不同,如下图所示,前者为电压-电压转换器,而后者为电压-电压-电流转换器,称之为OTA架构,在补偿上也较容易只要Rc+Cc到地即可,在电路上的作用,Rc增加能提高电路速度,Cc增加能增加稳定,两者之间同时存在跷跷板作用,所以需要合理取值。
由于补偿值受电路的影响,为了方便设计能利用下图Excel表格设计补偿值后,再针对需求细微调整。
固定导通时间控制COT
固定导通时间控制为一种输出纹波模式的变频控制,如下图所示,当FB电压低于参考电压VREFX时,比较器PWM_CMP产生脉冲波触发D型正反器输出高电平,此时VIN电压与RTON电阻产生电流,对CTON计时电容计时,直到计时电容电压达到输出电压VOUT时,比较器TON_CMP产生清除讯号触发D型正反器输出低电平,直到FB电压再次低于参考电压VREFX时再次导通,因负载的大小会影响FB下掉到VREFX的时间,所以负载突然增加时,关断时间的减少,使得开关频率增加以提高输出的能量,反之亦然;最终因电感能量的守恒,所以稳态时的开关频率近似于固定。
系统的稳定受输出纹波的影响,当输出使用贴片电容MLCC因ESR较小,纹波过小使得系统产生不稳定,外加了Rr、Cr、Cc从电感产生纹波引入的FB使其稳定。
增加RCC纹波注入电路,在设计上同样受电路应用的影响,设计一Excel用以方便取值,如下图所示。