開關(guān)電源變換器工作模式--COT固定開通時間模式

小融一號

前言

前面講述了電壓模式、電流模式的工作原理，事實上，從控制策略而言，以BUCK電路為例，可以用下面的公式來說明：

Vo = D* Vin =Ton*Vin/Ts ==Ton*Vin/(Ton+Toff)

Vo是固定不變的，當(dāng)Vin變化的時候，需要有另一個變量相應(yīng)的變化，從而維持Vo的穩(wěn)定不變，這樣就可以得到以下的控制模式。

（1）如果Ts固定，也就是工作頻率fs固定，Vin變化時，D相應(yīng)的改變，這種方式是固定頻率，調(diào)節(jié)占空比，就是通常所說的PWM控制模式。

（2）如果Toff固定，Vin變化時，Ton 相應(yīng)的改變，也就是改變fs，這種方式叫固定關(guān)斷時間控制模式。

（3）如果Ton固定，Vin變化時，Toff相應(yīng)的改變，也就是改變fs，這種方式叫固定開通時間控制模式，也就是非常有名的COT控制模式，也稱谷點電流模式。它的控制策略是固定開通時間，檢測電流的方式是檢測下管的谷點電流,也就是輸出電感鋸齒波電流的谷點電流。

可以的看到，后面二種模式是變頻控制模式，這也為電源的設(shè)計的帶來一些問題。

傳統(tǒng)的峰值電流模式在小占空的應(yīng)用中，受到最小占空比的限制，具有動特性差的缺點，而COT固定開通時間的控制方式，關(guān)斷時間長，有充足的時間來檢測谷點電流，對于小占空的應(yīng)用，具有天然的獨特的優(yōu)勢，這些年來，得到一些芯片原廠的青睞，推出了許多相應(yīng)的產(chǎn)品，從而廣泛的應(yīng)用到一些低電大電流以及需要好的動特性的系統(tǒng)中。

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1 COT模式的工作原理及特點

COT模式也是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋有二個環(huán)路：電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖1所示。電壓外環(huán)包括電壓誤差放大器，反饋分壓電阻器和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大信號的輸出端連接到電流比較器的同相端。電流環(huán)檢測是的續(xù)流側(cè)的電流，電流放大信號連接到電流比較器的反相端。

COT模式工作過程如下：

（1）若初始的狀態(tài)是高端的主開關(guān)管開通，電感激磁，電流線性上升，高端開關(guān)管導(dǎo)通一段固定的時間，此時間由內(nèi)部的定時器設(shè)定。

（2）當(dāng)高端開關(guān)管關(guān)斷后，低端開關(guān)管導(dǎo)通，此時電感開始去磁，電感電流線性下降，同樣，低端開關(guān)管的電流隨著時間線性下降，電流檢測電阻為低端開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，所以電流檢測信號的電壓信號也線性下降，由于此時Vc低于Vs，電流比較器輸出為低電平。高端開關(guān)管維持關(guān)斷，而低端開關(guān)管維持導(dǎo)通。

（3）當(dāng)電流檢測電阻的電壓信號繼續(xù)下降，直到Vc等于Vs時，電流比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，從低高電平翻轉(zhuǎn)為高電壓，邏輯控制電路工作，關(guān)斷低端的續(xù)流開關(guān)管的驅(qū)動信號，高端的主開關(guān)管開通，同時送出觸發(fā)信號給定時器，啟動定時器工作。高端開關(guān)管導(dǎo)通后，電感開始激磁，電流線性上升，進(jìn)入下一個周期，如此反復(fù)。如圖2所示。

圖1：谷點電流模式的控制系統(tǒng)圖         

    圖2：谷點電流模式工作波形

調(diào)節(jié)工作原理如下：

（1）當(dāng)輸出負(fù)載增大時，輸出電壓降低，因此，Vc增大，線性降低的電感電流在較高的值就和Vc相等，使電流比較器翻轉(zhuǎn)，因而，續(xù)流二極管導(dǎo)通較短的時間，而高端的主開關(guān)管導(dǎo)通的時間不變，也就是開關(guān)周期變短，開關(guān)頻率增大，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

（2）當(dāng)輸出負(fù)載減小時，輸出電壓增大，因此，Vc降低，線性降低的電感電流只有在更低的值才能和Vc相等，使電流比較器翻轉(zhuǎn)，因而，續(xù)流二極管導(dǎo)通較長的時間，而高端的主開關(guān)管導(dǎo)通的時間不變，也就是開關(guān)周期變長，開關(guān)頻率降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

特別注意：現(xiàn)在一些COT芯片，直接將輸出電壓信號和電流信號進(jìn)行合成處理，然后送到比較器，輸出控制上、下管的開通和關(guān)斷驅(qū)動信號，這樣就沒有輸出電壓的誤差放大器反饋回路，設(shè)計更為簡單。

COT模式可以用低端的開關(guān)管的導(dǎo)通電阻作電流檢測電阻，也可以在開關(guān)管的源極下面串聯(lián)一個電流檢測電阻。用低端的開關(guān)管的導(dǎo)通電阻作電流檢測電阻可以提高系統(tǒng)的效率，省去額外價格貴的電流檢測電阻，但精度比較差。注意的是：高端的主開關(guān)管和低端的同步續(xù)流管之間要設(shè)定一定的死區(qū)時間防止上下管的直通。

   

(a)  谷點電流模式         (b)峰值電流模式

圖3：谷點電流和峰值電流模式輸出負(fù)載0A到5A跳變響應(yīng)

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2 COT模式的工作優(yōu)缺點

COT模式的優(yōu)點:

（1）可以工作在寬的輸入電壓范圍。

（2）可以工作在極低占空比條件。

（3）易于檢測電流。

（4）快速負(fù)載響應(yīng)，從圖1-16可以看到，谷點電流模式在當(dāng)前的周期就可以響應(yīng)負(fù)載的變化，而峰值電流模式只能在下一個開關(guān)周期才能響應(yīng)負(fù)載的變化。

COT模式的缺點:

（1）在占空比小于50%時需要斜坡補(bǔ)償。

（2）變頻工作時電感不易優(yōu)化設(shè)計。

在變頻方式工作時，當(dāng)輸入和輸出電壓變化時，高端MOSFET的導(dǎo)通時間均恒定固定不變化，那么系統(tǒng)將工作在較寬的頻率范圍，不利于電感的優(yōu)化工作。通常在控制器內(nèi)部需要一個前饋電路，使高端MOSFET的導(dǎo)通時間隨輸入電壓成反比的變化，隨輸出電壓成正比的變化，從而維持在輸入電壓變化和負(fù)載變化時，變換器近似的工作于定頻方式。

文章來源：微信公眾號   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）