【導讀】無(wú)論是無(wú)線(xiàn)PA系統還是CPU內核，工程師們常常需要在帶寬和系統電源的穩定性之間做出權衡，以獲得較低的動(dòng)態(tài)紋波。恒定導通時(shí)間（COT）控制在電源管理中日益受到關(guān)注，現在已廣泛應用于計算領(lǐng)域的核心IC電源中。隨著(zhù)人工智能的普及，COT的應用還將更加廣泛。
在討論COT控制之前，我們先來(lái)了解一下另外兩種控制方法：電壓控制和電流控制（請參見(jiàn)圖1）。在COT控制流行起來(lái)之前，工程師們通常會(huì )采用這兩種方法。
圖1: 電壓控制和電流控制
電壓控制和電流控制系統中常會(huì )用到誤差放大器（EA）。圖2顯示了一個(gè)誤差放大器的原理圖示例。
圖2: 誤差放大器原理圖
上圖顯示了EA如何在電阻-電容（RC）補償網(wǎng)絡(luò )內工作。為了使電路穩定，每個(gè)參數（C1、R1、C2、R2和C3）都必須分別設計，這項工作既繁瑣又耗時(shí)。而且除了穩定性問(wèn)題之外，通常還存在瞬態(tài)響應問(wèn)題。
當輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，誤差放大器的RC網(wǎng)絡(luò )會(huì )延遲輸出電壓的變化，然后再對控制電路做出反應，因此降低了響應速度。即使控制電路收到有關(guān)輸出電壓變化的反饋，它也不會(huì )立即響應。相反，它根據設定的時(shí)鐘頻率給出響應，這更是拖慢了瞬態(tài)響應（見(jiàn)圖3）。
圖3: 補償網(wǎng)絡(luò )中的誤差放大器工作
為了提高瞬態(tài)性能，可能又需要重新設計誤差放大器和RC網(wǎng)絡(luò )（C1、R1、C2、R2和C3）的參數。這意味著(zhù)工程師必須思考如何在穩定性和瞬態(tài)響應之間做出平衡。
為了解決這些問(wèn)題，我們用比較器替換誤差放大器，這樣就消除了補償的必要，從而消除了RC的延遲。同時(shí)，可以用具有電壓控制導通時(shí)間發(fā)生器的時(shí)鐘控制PWM發(fā)生器代替時(shí)鐘，從而消除時(shí)鐘延遲（參見(jiàn)圖4）。這種解決方案即采用了恒定導通時(shí)間（COT）控制。
圖4: 恒定導通時(shí)間控制
圖4顯示了恒定導通時(shí)間（COT）控制最基本的示例。其基本原理為：當FB電壓低于參考電壓（VREF）時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)COT脈沖來(lái)控制上管MOSFET的開(kāi)啟（見(jiàn)圖5）。
圖5: 恒定導通時(shí)間控制相關(guān)參數
但是，如果每個(gè)COT脈沖的輸入電壓不同，則可能會(huì )改變開(kāi)關(guān)頻率。為解決這個(gè)問(wèn)題，恒定導通時(shí)間控制需檢測輸入電壓，并在輸入電壓變化時(shí)實(shí)現恒定的開(kāi)關(guān)頻率。同樣，當輸出電壓達到不同的輸出電壓時(shí)，COT控制會(huì )檢測恒定的開(kāi)關(guān)頻率。圖6顯示了常用的COT控制原理圖。
圖6: 常用COT控制原理圖
但是，如果在使用陶瓷輸出電容器（MLCC）的情況下應用COT控制，則會(huì )出現不穩定的情況（請參見(jiàn)圖7）。
圖7: MLCC導致的不穩定性
這種不穩定的產(chǎn)生是由于COT控制需要FB電壓隨電感電流產(chǎn)生相間紋波。由于聚合物或電解電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）相對較大，因而會(huì )出現此相位紋波，并使系統保持穩定。但是，陶瓷電容器的ESR則不足以保證FB上的紋波電壓和電感電流同相。
MPS通過(guò)在FB上添加RC補償電路從而產(chǎn)生與電感同相的紋波來(lái)解決此問(wèn)題（參見(jiàn)圖8）。
圖8: 采用COT控制的RC補償網(wǎng)絡(luò )
添加RC補償電路可以為瓷板電容器提供穩定的輸出。NB638芯片即采用這種解決方案來(lái)保持其穩定性（請參見(jiàn)圖9）。NB679是帶陶瓷電容器的類(lèi)似設備，但它沒(méi)有RC補償電路，而是在內部對FB電壓產(chǎn)生額外的斜坡補償。
圖9: NB638
除了陶瓷電容器的不穩定性之外，使用COT控制還可能出現輸出電壓調整率方面的問(wèn)題（見(jiàn)圖10）。我們知道，COT控制模式下，FB電壓紋波引起的實(shí)際輸出電壓會(huì )超過(guò)VREF設置的目標輸出電容。由于不同的紋波電壓會(huì )導致不同的輸出電壓，因此調整率可能會(huì )出現問(wèn)題（請參見(jiàn)圖10）。
圖10
為解決此問(wèn)題，COT控制可以引入慢速EA。這種慢速EA消除了由FB紋波引起的高輸出電壓所致問(wèn)題，從而確保了實(shí)際的輸出電壓和設置電壓保持一致（參見(jiàn)圖11）。
圖11: 恒定的輸出和設置電壓
慢速EA帶來(lái)的另一個(gè)好處是它不會(huì )影響快速變化的瞬態(tài)響應。
由于其快速的瞬態(tài)響應和簡(jiǎn)單的環(huán)路補償，COT控制非常適合提供內核功率的電源。這種內核隨時(shí)間推移將處理越來(lái)越多的數據，所需電流也會(huì )越來(lái)越多。相應的COT控制也從單相控制逐漸發(fā)展為單相多路并聯(lián)控制，再到多相多回路控制。
MPS的數字COT控制不僅可以實(shí)現多相、多回路控制，而且還可以支持相數配置、自動(dòng)回路補償以及其他優(yōu)勢，這極大地簡(jiǎn)化了設計并提高了產(chǎn)品設計效率。MP2888A就是其中一款數字COT控制器，它曾獲得2018年全球電子成就獎。有關(guān)MPS COT控制解決方案的更多信息，請查閱我們的產(chǎn)品。
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