COT控制模式简述-1

前言：

杨帅锅：因为个人能力，时间，研究方向有限，所以后续我会邀请一些技术大佬来发技术类文章，这样就可以更加丰富公众号的内容。第一篇就是张远征大大的COT控制系列，开篇只是简介后面还会陆续更新。

众所周知，开关电源的控制方式主要包括了传统的电压模式、峰值电流模式、平均电流模式。这些主要流行的控制模式统统归属于PWM控制模式。而PFM模式基本出现在下列的情况中：

• 电压滞环控制芯片，如TI-TPS5211, TI-LM3485,ON-CS51031, MP-2905。
• 电流滞环控制芯片，如Microchip-HV9930,TI-LM27212。
• 在一些电源控制芯片中，轻载工况下，还会切换至burstmode以及pulse skipping mode，这两种模式也归属于PFM控制模式，用于提高轻载工况下的效率。也有其他学者指出Pulse Skipping mode，另归一类。
• 谐振控制器基本都是PFM控制模式。在之前的推文中，帅锅也介绍过基于bang-bang control的LLC控制芯片，bang-bang也即是PFM控制模式的一种。（VMC和CMC的LLC控制器仿真对比 第四节 (Ti UCC25640x 混合滞回控制)
  今天要介绍的COT控制模式，即是Constant-on-time mode,恒定导通时间控制，它由滞环控制模式发展而来。顾名思义，其在整个控制过程中会保持开通时间Ton恒定不变。当然，相应也有constant-off-time mode，不做过多介绍。

滞环控制

滞环控制如下图，分压电阻得到的反馈电压vfb和参考电压vref通过一个滞环比较器比较，我们假设滞环比较器的环宽为h, 一般来说，滞环带宽一般在15mV~20mV之间。当Vfb低于vref-(1/2)h时，比较器输出为高，HS打开，电感电流线性上升，由ESR带来的输出电压纹波此时也会线性上升，vfb亦复如是。当vfb高于vref+(1/2)h时，比较器输出为低，LS打开，电感电流下降，输出电压和vfb纹波下降。

迟滞控制的优势在于其环路极其简单，无需误差放大器，也不需要考虑复杂的补偿问题，因此可以达到非常大的带宽，瞬态响应速度极快。

图1 滞环控制模式

当Buck工作在CCM模式下，其输出电压纹波可以计算为

可以看出，开关频率和选择的电感、滞环环宽以及电容ESR都有关系。Vin变化时，以及ESR会受到温度的影响而变化，比较器的传播延迟等，都会影响到开关频率，这会使得EMI的处理变得比较困难。

图2 输出纹波电压细节

而实际上，输出电容还有ESL存在，ESL带来的纹波会在输出电压纹波上形成一个小尖锋，有可能在开关状态切换的时候，导致反馈电压vfb会超出滞环的上限。再考虑耦合到输出纹波上的噪声，可以想象，控制器会变得非常敏感。另一方面，当输出电压较高时，其输出纹波会增大。因此，其商用的IC总体来说并不多。

恒定导通时间(COT)

COT控制模式基于滞环控制模式发展而来。在基本的迟滞控制中增加一个单稳态计时电路(One Shot)控制功率管的导通时间，使功率管导通一个恒定的时间。

图3     COT控制模式

当反馈电压vfb低于参考电压vref时，比较器的输出vcomp_out会拉高，SR latch被置位，Q输出也拉高，HS就被打开，电感电流线性上升，输出电压纹波以及vfb上的纹波也会上升，因此，vcomp_out会立马拉低，形成一个脉冲。而Q输出拉高同时，也启动了单稳态计时器，直到这个固定开通时间结束。单稳态定时器输出vone_shot翻转拉高，复位SR latch。当结束HS开通过程后，电感电流下降，输出电压纹波也下降，直到vfb再一次低于vref，开启新的周期。

可以看出，COT是一种纹波电压谷底控制方式。如果系统已经开通了一个Ton的时间，发现vfb仍然低于vref，怎么办呢？从逻辑控制图中可以看出，此时vcomp_out会一直高电平，当Ton结束，Q拉高之后，S和Q均为高电平，根据SR latch的真值表，此时SR处在invalid状态，是不允许出现的逻辑错误。因此，可以再Ton结束后，增加一个最小关断时间Toff_min，强制关断HS，然后再进行下一次Ton开通。一方面增加Toff_min可以保证逻辑正确，另一方面也可以避免HS一直导通情况下的电感器的饱和。

COT的稳定性问题：

从上面的逻辑控制图中可以发现，COT的稳定性建立在vfb纹波上，也即输出电压纹波上。当输出电压纹波足够大时，可以保证足够的稳定性。因此直观地看，COT是一种基于power stage 大信号的非线性控制。利用环路分析仪扫描伯德图仅仅适用于电压模式、电流模式之类线性控制系统，此时对COT控制已经不再适用。

后续内容，待下篇文章更新。