【導讀】無論是無線PA系統(tǒng)還是CPU內核，工程師們常常需要在帶寬和系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性之間做出權衡，以獲得較低的動態(tài)紋波。恒定導通時間（COT）控制在電源管理中日益受到關注，現(xiàn)在已廣泛應用于計算領域的核心IC電源中。隨著人工智能的普及，COT的應用還將更加廣泛。
在討論COT控制之前，我們先來了解一下另外兩種控制方法：電壓控制和電流控制（請參見圖1）。在COT控制流行起來之前，工程師們通常會采用這兩種方法。
圖1: 電壓控制和電流控制
電壓控制和電流控制系統(tǒng)中常會用到誤差放大器（EA）。圖2顯示了一個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)絡內工作。為了使電路穩(wěn)定，每個參數(shù)（C1、R1、C2、R2和C3）都必須分別設計，這項工作既繁瑣又耗時。而且除了穩(wěn)定性問題之外，通常還存在瞬態(tài)響應問題。
當輸出電壓發(fā)生變化時，誤差放大器的RC網(wǎng)絡會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輸出電壓變化的反饋，它也不會立即響應。相反，它根據(jù)設定的時鐘頻率給出響應，這更是拖慢了瞬態(tài)響應（見圖3）。
圖3: 補償網(wǎng)絡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（C1、R1、C2、R2和C3）的參數(shù)。這意味著工程師必須思考如何在穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應之間做出平衡。
為了解決這些問題，我們用比較器替換誤差放大器，這樣就消除了補償?shù)谋匾瑥亩薘C的延遲。同時，可以用具有電壓控制導通時間發(fā)生器的時鐘控制PWM發(fā)生器代替時鐘，從而消除時鐘延遲（參見圖4）。這種解決方案即采用了恒定導通時間（COT）控制。
圖4: 恒定導通時間控制
圖4顯示了恒定導通時間（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）時會產生一個COT脈沖來控制上管MOSFET的開啟（見圖5）。
圖5: 恒定導通時間控制相關參數(shù)
但是，如果每個COT脈沖的輸入電壓不同，則可能會改變開關頻率。為解決這個問題，恒定導通時間控制需檢測輸入電壓，并在輸入電壓變化時實現(xiàn)恒定的開關頻率。同樣，當輸出電壓達到不同的輸出電壓時，COT控制會檢測恒定的開關頻率。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，則會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況（請參見圖7）。
圖7: MLCC導致的不穩(wěn)定性
這種不穩(wěn)定的產生是由于COT控制需要FB電壓隨電感電流產生相間紋波。由于聚合物或電解電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）相對較大，因而會出現(xiàn)此相位紋波，并使系統(tǒng)保持穩(wěn)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通過在FB上添加RC補償電路從而產生與電感同相的紋波來解決此問題（參見圖8）。
圖8: 采用COT控制的RC補償網(wǎng)絡
添加RC補償電路可以為瓷板電容器提供穩(wěn)定的輸出。NB638芯片即采用這種解決方案來保持其穩(wěn)定性（請參見圖9）。NB679是帶陶瓷電容器的類似設備，但它沒有RC補償電路，而是在內部對FB電壓產生額外的斜坡補償。
圖9: NB638
除了陶瓷電容器的不穩(wěn)定性之外，使用COT控制還可能出現(xiàn)輸出電壓調整率方面的問題（見圖10）。我們知道，COT控制模式下，F(xiàn)B電壓紋波引起的實際輸出電壓會超過VREF設置的目標輸出電容。由于不同的紋波電壓會導致不同的輸出電壓，因此調整率可能會出現(xiàn)問題（請參見圖10）。
圖10
為解決此問題，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題，從而確保了實際的輸出電壓和設置電壓保持一致（參見圖11）。
圖11: 恒定的輸出和設置電壓
慢速EA帶來的另一個好處是它不會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。這種內核隨時間推移將處理越來越多的數(shù)據(jù)，所需電流也會越來越多。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(shù)字COT控制不僅可以實現(xiàn)多相、多回路控制，而且還可以支持相數(shù)配置、自動回路補償以及其他優(yōu)勢，這極大地簡化了設計并提高了產品設計效率。MP2888A就是其中一款數(shù)字COT控制器，它曾獲得2018年全球電子成就獎。有關MPS COT控制解決方案的更多信息，請查閱我們的產品。
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