三种DC/DC降压转换器拓扑的优缺点

本报告描述了三种 DC/DC 降压转换器拓扑：电流模式、电流模式-恒定导通时间和立锜高级恒定导通时间拓扑。解释了三种拓扑之间的差异，并针对最终应用列出了每种类型的优缺点。

一、简介

本报告描述了三种 DC/DC 降压转换器拓扑：电流模式、电流模式-恒定导通时间和立锜高级恒定导通时间拓扑。解释了三种拓扑之间的差异，并针对最终应用列出了每种类型的优缺点。

2. 电流模式降压转换器

电流模式降压转换器的框图如图 1 所示。

图 1. 电流模式框图

在经典电流模式控制中，固定频率时钟激活上部 MOSFET。误差放大器查看反馈信号和参考电压之间的差异。电感电流的上升斜率与误差放大器的输出进行比较，当电感电流超过误差放大器电压时，上部 MOSFET 关断。然后电感电流流过下部 MOSFET，系统等待下一个时钟脉冲。斜坡补偿斜坡被添加到电流斜坡，以避免高占空比下的次谐波振荡并提高噪声性能。在电流模式转换器中，环路带宽（F BW） 由误差放大器输出端的补偿元件设置，并限制在远低于转换器开关频率的范围内。电流模式稳态和负载瞬态操作的波形如图 2 所示。

图 2. 电流模式稳态和负载瞬态波形

固定时钟使电流模式控制系统对负载突然变化的响应速度相对较慢，尤其是在低占空比应用中，因为一旦上部 MOSFET 被关闭，它会一直保持关闭状态，直到下一个时钟周期。当转换器试图满足新的负载需求时，有限的带宽也限制了可以实现的可用占空比。在表现出快速负载阶跃的应用中，电流模式转换器将表现出相对较大的输出电压波动。阶跃负载期间的电压暂降 ΔV 与负载阶跃幅度和速度、输出电容和转换器带宽有关。为了确保电流模式转换器的良好稳定性，带宽通常设置为开关频率的 1/10 或更小。

电流模式转换器的另一个缺点是，用于控制 MOSFET 开关的决策点是在上 MOSFET 的导通时间内做出的，此时电流电平和系统噪声都很高。需要进行噪声过滤，这对上部 MOSFET 的最小导通时间造成了一定的限制，进而限制了降压转换器的最小占空比范围。固定斜率补偿通常还对可在某些输入和输出电压条件下使用的电感值构成限制。

电流模式转换器也有优势：无论输入和输出条件如何，内部时钟都能保持开关频率非常稳定，这在某些应用中可能是一个优势。内部时钟也可以与外部时钟信号同步，从而可以在同一频率上运行多个转换器。

表 1 列出了电流模式降压转换器的优缺点。

3. 立锜电流模式-COT （CMCOT） 降压转换器

Richtek 电流模式 COT 转换器的框图如图 3 所示。

图 3. 电流模式 - Cot 转换器框图

CMCOT 降压转换器没有内部时钟；上部 MOSFET 始终在预定义的固定导通时间导通。通过改变上 MOSFET 的关断时间来调节占空比。CMCOT 转换器还包含一个电流检测和误差放大器，但现在将电流的下降斜率与误差放大器的输出进行比较。因此，在较低的 MOSFET 中感测电流，这更容易实现，并且不易出现噪声拾取，尤其是在低占空比条件下。系统不需要等待下一个时钟周期的事实使得可以更快地对突然的阶跃负载做出反应；一旦输出电压下降并且误差放大器电压上升到下降电流斜率以上，就会触发新的导通时间并且转换器电流再次上升。

图 4. 电流模式 - Cot 稳态和负载瞬态波形

电流谷值必须跟随误差放大器的输出，因此误差放大器的增益和速度会影响控制速度。在 CMCOT 拓扑中，可以通过补偿设置的最大带宽与导通时间的倒数有关，而不是与电流模式中的开关频率有关。因此，CMCOT 转换器可以具有比电流模式转换器更高的带宽，并且在快速负载阶跃期间显示出更少的输出电压波动。CMCOT 在高占空比下不会出现次谐波振荡，因此不需要斜率补偿，这使得电感值的选择范围更广。

在纯固定导通时间拓扑中，开关频率在不同的输入和输出电压条件下会有很大偏差。在立锜 CMCOT 中，导通时间由一个特殊电路控制，该电路缓慢调整导通时间以将平均开关频率调节到定义值。与电流模式类似，阶跃负载期间的电压暂降 ΔV 与负载阶跃幅度和速度、输出电容和转换器带宽有关，不同之处在于，在 CMCOT 中，补偿组件可以设置为高于 1/10 的带宽的开关频率。

CMCOT 也有一些缺点：由于转换器控制频率来调节输出电压，这使得转换器无法与外部时钟同步。频率控制环路还意味着开关频率在负载瞬态期间会出现一些变化。

表 2 列出了 CMCOT 降压转换器的优缺点。

4. Richtek Advanced-COT （ACOT®） 降压转换器

Richtek ACOT 转换器的框图如图 5 所示。

图 5. ACOT 框图

ACOT 转换器不包含误差放大器或电流检测；他们直接将反馈信号（直流电平 + 纹波电压）与内部基准进行比较。当反馈信号低于参考值时，会产生一个新的固定导通时间，电感电流会上升。如果输出电压尚未恢复，则在短暂的消隐期后产生另一个导通时间，直到电感电流与负载电流匹配并且输出电压再次处于其标称电平。传统的 COT 转换器需要一些与电感电流同相的输出电压纹波才能以稳定的方式进行开关。这需要具有一定 ESR 的输出电容器。

为了能够使用低 ESR 陶瓷电容器，立锜 Advanced-COT 拓扑利用内部生成的 PSR 斜坡信号，该信号被添加到来自转换器输出的纹波和直流电平中。将这些相加，然后与内部参考进行比较。当该电压总和低于参考电压时，比较器触发 ON 时间发生器。输出电压的突然下降将立即导致新的导通时间，只要输出电压没有恢复，转换器就可以产生连续的导通时间。这使得 ACOT 拓扑对负载瞬变的反应速度极快。一个特殊的锁频环系统将缓慢调整导通时间，以将平均开关频率调节到定义值。

ACOT 稳态和负载瞬态操作的波形如图 6 所示。

图 6. ACOT 稳态和负载瞬态波形

负载瞬变期间 ACOT 转换器电压暂降的近似公式如下所示：

其中 δmax 是转换器在负载瞬态期间可以产生的最大占空比，与导通时间和消隐时间有关。

ACOT 转换器在快速负载瞬变期间会出现较大的频率偏差。当最终应用对某些开关频带敏感时，应在动态负载条件下使用 ACOT 转换器检查此灵敏度，此时动态频率摆幅最为明显。

表 3 列出了 ACOT 降压转换器的优缺点。

5. 比较测量

通过在 5V→1.2V/1A 应用中使用 3 个立锜低压 Buck 转换器比较了三种拓扑的实际行为：

RT8059 （1.5MHz/1A 电流模式降压转换器）

RT8096A （1.5MHz/1A CMCOT 降压转换器）

RT5784A （1.5MHz/2A ACOT 降压转换器）

三种应用中的关键元件（输出电容和电感值）相同，因此测量结果和差异纯粹是由不同的控制拓扑引起的，可以直接比较。

转换器在快速负载步骤（dI/dt 速率与 MCU 内核和 DDR 负载中看到的相似）进行了测试。

RT8059应用及测试结果：

图 7 显示了具有内部补偿的电流模式降压RT8059的应用。添加了一个外部前馈电容器 C7 以优化响应。

图 7. RT8059 5V→1.2V/1A 应用

测量结果：（电流模式）

RT8059 550mA 快速阶跃负载阶跃载荷的详细信息

 

输出电压跌落为 65mV 或 5%。占空比在瞬态期间逐渐变化。

图 8

RT8096A应用及测试结果：

图 9 显示了 CMCOT 降压RT8096A的应用，它也具有内部补偿。添加了一个外部前馈电容器 C2 以优化响应。

图 9. RT8096A 5V→1.2V/1A 应用

测量结果：（CMCOT）

RT8096A 550mA 快速阶跃负载阶跃载荷的详细信息

 

输出电压跌落为 49mV 或 4%。在瞬态期间频率将增加，从而增加占空比。

图 10

测量结果表明，在这个 5V→1.2V 应用中，CMCOT 降压与 CM 降压相比，阶跃负载响应要好 20% 左右，因此在这种情况下差异不大。具有较高降压比的 CMCOT 应用将具有更短的接通时间，因此可以具有更高的带宽，因此这些应用将在阶跃负载响应方面表现出更大的差异。

RT5785A应用及测试结果：

图 11 显示了使用 ACOT 降压 RT5785A 的应用，它有一个直接的 VOUT 连接来确定开启时间。不需要前馈或其他补偿。

图 11：RT5785A 5V→1.2V/1A 应用

测量结果：（ACOT）

RT5785A 具有 550mA 快速阶跃负载阶跃载荷的详细信息

 

输出电压跌落为 24mV 或 2%。频率将立即增加以获得瞬态期间的最大占空比。

图 12

ACOT 降压在所有三种控制拓扑中都具有出色的阶跃负载响应。

6.总结

在为您的应用选择降压转换器时，您需要考虑哪些参数对最终应用最重要。如果系统在某些频率下容易受到噪声的影响，您可能还需要使用电流模式降压转换器，并可能将其与外部时钟信号同步以非常精确地设置开关频率。CM 转换器对他们可以达到的最短时间有一些限制。因此，具有高开关频率的 CM 降压转换器不适用于具有高降压比的应用。

如果应用负载具有中等瞬态负载条件，您可能需要选择 CMCOT 拓扑降压，以减少负载瞬态期间的输出电压波动。与标准电流模式降压转换器相比，CMCOT 转换器可以实现 20% ~ 30% 更好的负载瞬态行为。CMCOT 对低占空比应用中的噪声也不太敏感。由于其最小导通时间非常小，CMCOT 降压可用于具有较大降压比的应用。CMCOT 转换器的开关频率在负载瞬变期间会出现一些偏差。

如果应用负载显示出严重的快速负载瞬态（如在内核和 DDR 轨中看到的），最好选择 ACOT 降压转换器，它可以将负载瞬态行为提高 2 到 4 倍。它们特别适用于低占空比应用。 由于具有非常小的最小导通时间，具有高开关频率的 ACOT 降压器可用于具有大降压比的应用中。ACOT 转换器的开关频率在负载瞬态期间会出现相当大的偏差。但是没有环路补偿和斜率补偿使 ACOT 设计简单、灵活且具有成本效益。