DCDC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所賀順亮近年來，很多DC-DC廠家推出了恒定導(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。如下列圖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。Vout經(jīng)過電阻R1和R2分壓，得到反應(yīng)電壓匕叱被送到比擬器U2的反相輸入端，比擬器U2的同相輸入端為參考電平力所，比擬器U2的輸出連接到與門U4的一個(gè)輸入端。與門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）。與門U4的輸出端連接到RS觸發(fā)器U5（關(guān)于RS觸發(fā)器，請見附錄1）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。RS觸發(fā)器U5的輸出Q一方面送給MOS驅(qū)動器U6,另一方面又反應(yīng)回恒定計(jì)時(shí)器U1和最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3OESR為輸出電容Co的等效串聯(lián)電阻。圖1傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC電路結(jié)構(gòu)工作過程：電路運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸出電壓Vout的反應(yīng)信號吟8低于參考電平匕窗時(shí)，比擬器U2輸出為正。假設(shè)最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3的輸出也為正，那么與門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。此正的信號Q通過驅(qū)動器U6將上管M1翻開，下管M2關(guān)閉，使得輸出電壓Vout升高，反應(yīng)信號/8也升高。同時(shí)，此正的信號Q觸發(fā)恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1開始計(jì)時(shí)。當(dāng)輸出電壓Vout升高至/b大于參考電平匕吠，比擬器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保持原來的狀態(tài)。當(dāng)恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后，其輸出端0變?yōu)楦?，進(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)镺o驅(qū)動器U6關(guān)斷上管M1,開啟下管M2,輸出電壓Vout開始下降。同時(shí)觸發(fā)最小時(shí)間產(chǎn)生器U3開始計(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：防止由于噪聲干擾等其它原因U2輸出為正，錯誤地開始一個(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)過最小關(guān)斷時(shí)間后，其輸出又變?yōu)檎?。?dāng)輸出電壓Vout下降，使得反應(yīng)信號匕/氐于參考電平5ef時(shí)，重新開始一個(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。為了防止電感電流反向流動，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)載相比擬，ESR遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，可以認(rèn)為電感電流的紋波局部全部流經(jīng)ESR和理想電容Co,從而在ESR產(chǎn)生一個(gè)與電感電流紋波局部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局部之間存在90度的相位延遲。當(dāng)ESR遠(yuǎn)大于理想電容C。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)，輸出電壓比擬穩(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)工作波形上開關(guān)管門極驅(qū)動信號ESR電壓紋波圖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，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）來穩(wěn)定系統(tǒng)。但是，有些手持設(shè)備或者移動設(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。下列圖4為傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC實(shí)際電路（TI提供）。恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1ConOn-TimeTimerPWMLatch3RSQ比擬器U2RS觸發(fā)器U5VINoHigh-SideDrivervdd-iCrossConductionControllloffLUrlrnMinimumOff-TimeTimer最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1ConOn-TimeTimerPWMLatch3RSQ比擬器U2RS觸發(fā)器U5VINoHigh-SideDrivervdd-iCrossConductionControllloffLUrlrnMinimumOff-TimeTimer最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3ZCLatchQ—I電感零電流檢測單元sR2Zero-CrossingComparator圖4傳統(tǒng)恒定導(dǎo)通時(shí)間DC-DC實(shí)際電路下列圖5為恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生器具體電路。在圖4中，當(dāng)匕^低于參考電平匕口,比擬器U2輸出為正，進(jìn)而RS觸發(fā)器U5輸出為正，開關(guān)S2被非常短暫的翻開一下，將Con上的電荷泄放掉，使得比擬器的輸出端0變?yōu)榈?，然后關(guān)閉。開關(guān)S2圖5開關(guān)S2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％力/Rm)開始重新充電，累積電荷，電壓從0重新開始上升，在Con上的電壓上升到Vout之前，比擬器的輸出端0保持為低。當(dāng)Con上的電壓上升到Vout時(shí)，比擬器的輸出端0開始翻轉(zhuǎn)，變?yōu)楦?，上管開始關(guān)閉。這樣恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton通過如下計(jì)算得到：Toh=Q/I_VoutxCon_Vout心上Toh=Q/I_VoutxCon_Vout心上—Vout「其中：D=,FVinVinRon]Ron-ConVin?Ron-Con=D」—^sw適合低ESR的陶音電容濾波的恒定導(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,如下列圖6綠色虛線框內(nèi)所示。將虛線框內(nèi)的局部單獨(dú)取出來分析，如圖7所示，Ri1為比擬器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，對高頻交流紋波來說,Vout短交流對地短路。比擬器U2CrossConductionControlS0RRS觸發(fā)器U5電感零電流檢測單元比擬器U2CrossConductionControlS0RRS觸發(fā)器U5電感零電流檢測單元恒定時(shí)間產(chǎn)生器U1最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器U3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VIN圖7VIN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Rr,給電容Cr和Cac充電。如果電icac,實(shí)際上要滿足此條件，必須(Hl//R2//Ril)IZc],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(RI//R2//Ril)o所以，Cac、Rr、Cr的約束條件為：i\Zcac+(Rl//R2//Ril)xZCfllzIICac計(jì)算容抗Zo，Zcac時(shí)，取DC-DC開關(guān)頻率Fswo如果*ice流過Rr的電流，幾乎全流過Cr,Cr被充電，兩端的電壓開始上升。充電電流大小為：CrRr假設(shè)Cr上兩端的電壓降分.相比輸出電壓Vout很小，即V。/Ver,亦即電容Cr兩端產(chǎn)生的紋波峰峰值相對輸出電壓Vout很小，要滿足此條件，必須充電時(shí)間常數(shù)了=HrOTono那么：VB=Vout+VCr?Vout那么輸出電流為:Vin-VBVin-VoutRrRrRr上管M1翻開后，經(jīng)過Ton時(shí)間后，Cr兩端的電壓上升了:

△"J"。’'a'Ton=1WKVo"1CrCrCrRrFswRr?Cr?Fsw同理，當(dāng)上管M1關(guān)閉，下管M2導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)過Toff時(shí)間后，Cr兩端電壓下降了。降了。AV。降降了。AV。降1AC1-△Q=I降了。AV。降1AC1-△Q=IcyCrCr?Toff=工1Q-Vout1CrRrFsw八、-Vout^l-D)=Rr?Cr,FswCr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:fz,Cac\+(Rl//R2//Ril)\Z(CrZ*|(R1//R2//R1)t=RrCrTonAVCr(1)Vout—(2)Rr-Cr-Fsw其中，fz,Cac\+(Rl//R2//Ril)\Z(CrZ*|(R1//R2//R1)t=RrCrTonAVCr(1)Vout—(2)Rr-Cr-Fsw其中，(2)式可化簡為:RrCr般占空比Dv0.5,故去掉(1)式，最后的約束條件變?yōu)?Z0』+(R1//H2//R〃)|4|