怎样选择最优的 Buck 转换器拓扑？

　　摘要

　　基本的Buck转换器拓扑都是一样的，但控制该转换器工作的方法却是多种多样的，不同的方法带来不同的特性。与之对应的是现实中的负载特性也各自不同，如何将不同的转换器拓扑和各种不同的应用对应起来呢？了解各种拓扑的基本特性和限制，清楚自己的应用需求，这是实现正确选择的基本条件。

　　一、 概述

　　基本的 Buck 转换器拓扑是这样的：

图一、Buck转换器的基本拓扑

　　在此拓扑中，高端功率开关S1和低端功率开关S2轮流导通，由此形成的斩波信号经电感L和输出电容COUT滤波以后形成输出电压，输出电压VOUT的高低由S1导通时间的占空比所决定。

　　一个完整的Buck系统需要对某些信号进行检测以确定如何对开关的占空比进行控制，而在电路中可供检测作为Buck控制系统的反馈信号是多种多样的，控制开关占空比的方法也有很多种。现实中的负载也各自具有独特的个性，它们对为之供电的Buck 转换器的特性要求也不一样，这就导致了各种不同控制架构的出现。

　　立锜科技的DC/DC产品目录中有多种不同类型的Buck转换器，它们分别使用了不同的控制架构。最传统的是电流模式（Current Mode， CM）和固定导通时间（Constant-On-Time， COT）模式，还有结合了两者特性的电流模式固定导通时间（Current Mode Constant-On-Time， CMCOT）模式，以及改进后的固定导通时间（Advanced Constant-On-Time， ACOT™）模式。这些不同的控制架构实现方法不同，各自具有不同的特性，其优势和限制也是各自不同的。

　　面对如此繁多的控制架构，我们应该怎样针对自己应用的需要选择合适的架构呢？让我们从了解开始。

　　二、 电流模式（Current Mode， CM）

　　最传统的电流模式Buck转换器通过对MOSFET功率开关的导通时间进行控制以实现对输出电压的调节，它有一个固定频率的内部时钟控制着开关的节奏，导通时间的决策依据来源于电感峰值电流检测信号和误差放大器的比较结果。下面是它的电路拓扑和与之对应的波形示意图：

图二、电流模式Buck转换器电路拓扑

图三、电流模式Buck转换器的工作波形

　　这种架构的控制回路的带宽是由误差放大器进行设定的，一般被限定在远小于开关切换工作频率的水平上。

　　RT8059 是一款封装为TSOT-23-5的电流模式 Buck 转换器，最高工作电压为5.5V，输出电流能力为1A，以1.5MHz的固定频率工作。这是它的应用电路图：

图四、电流模式Buck转换器的电路实例

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　　我们给它一个5V的电压，让它的输出电压为1.2V，并给它施加一个在500mA和1A之间快速变化的电流负载，看看它的输出电压变化情况。下图是测试波形：

图五、电流模式Buck转换器的瞬态响应波形

　　将波形在时间轴上拉开以后，我们可以看到响应过程的细节：

图六、电流模式Buck转换器的瞬态响应波形细节展开

　　当负载电流从500mA向1A跳变时，输出电压下跌的最大幅度是66mV，为额定输出电压的5.5%。这种负载快速变化条件下的输出电压变动状况测试是最能反映一个电源系统的性能的，因为这是它能遇到的最坏状况之一。

　　电流模式控制电路中的误差放大器能对输出电压的变化做出响应。由于输出电容的存在，负载电流的急速变化并不能马上反映到电压上，它只能逐渐地反映出来，这在误差放大器中表现为它的输出信号的逐渐增加，这个增加过程还受到补偿电路的抑制，以使得反应不至于太过。

　　误差放大器的输出的变化并不能马上表现到开关占空比的变化上，它需要受到时钟的同步，只有一个新的时钟周期开始时，高端开关才会被打开，这个打开过程直至内部的脉动信号幅度超过误差放大器输出信号幅度以后才会结束。较高的误差放大器信号输出导致较高的占空比，从输入端经电感流向输出端的电流相应更高以弥补输出电流增大带来的输出电压下降损失，反之亦然。

　　在稳定状态下，误差放大器的输出电压是稳定不变的，由此导致的占空比也是不变的，我们可在这个时候从开关节点上测量到稳定不变的波形。当任何扰动加入的时候，例如输入电压发生了变化，或是负载电流发生了变化，前述的动态变化过程就会发生，其最终目的就是将输出电压拉回到稳定状态，能用多快的速度将环境变化的影响消除反映了一个系统的瞬态响应的速度。

　　受较窄的系统带宽的限制，电流模式Buck转换器对负载的快速变化的响应是比较慢的，所以它的输出电压跌落和上冲就会比较大，恢复过程也要需要比较长的时间。

　　电流模式控制器使用了固定的时钟信号来同步所有的工作过程，我们看到这种做法是有缺陷的，但此方法对于某些存在频率敏感现象的系统是一个很好的选择。在有的情况下，我们可能还需要用外部时钟信号来对Buck的工作过程进行同步，电流模式支持支种做法，条件是你所选用的器件要提供这样的接口。

　　三、 改进的固定导通时间（Advanced Constant-On-Time， ACOTTM）

　　固定导通时间（COT）架构已经存在很久了，也是一种很经典的架构，立锜科技有很多产品采用了这种架构。与电流模式比较慢的响应速度相比， COT架构最大的好处就是它的响应速度极快，可以将负载变化时的输出电压变化降到很低的程度，但它也是有缺陷的。下面的文字翻译自一款采用ACOTTM控制架构的产品规格书，它陈述了COT架构的特性，同时也说明了ACOTTM是怎么回事，可让我们了解各自的不同。在阅读文字以前先看看下图是有利的，这个图是关于ACOTTM的，但忽略掉其中ACOTTM特有的频率锁定环路（Frequency Locked Loop）和虚拟电感电流波形生成电路（PSR）以后的剩余部分就是COT的电路拓扑了。

图七：ACOTTM架构Buck转换器的电路拓扑

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　　COT

　　任何COT架构的核心都是一个固定导通时间的单稳态单元。在这里，所谓的固定导通时间其实是一个由反馈电压比较器所触发的预先定义好的“固定”时间。这种具有很高鲁棒性的安排具有很高的噪声消除能力，是低占空比应用的理想选择。在每一个固定时间的导通状态之后，总是有一个最小关断时间紧随其后，在这段时间里，电压调节器不用做出任何调整决定，这种做法的好处是避免了开关噪声的影响，因为每一次开关动作之后的一段时间里总是跟随着严重的噪声。因为没有固定的时钟对操作进行同步控制，当负载发生突变时，转换电路中的上桥开关几乎可以立即打开让电感电流迅速增加以满足负载上突然出现的需要。

　　传统的电流模式或电压模式的控制架构必须监控反馈电压、电流信号（同时用于电流限制）以及内部的脉动信号和补偿信号来决定何时关闭上桥开关、打开同步续流开关。在进行大电流切换的情形下，开关动作之后的噪声是巨大的，要在这种噪声中准确地获取那么多信号并做出正确的决策是一件非常艰难的事情，这在低占空比应用和板子设计不太理想的情况下就变得尤为严峻。

　　由于不需要在噪声严重的时间段做出开关切换动作的决策，COT架构就成了低占空比应用和高噪声应用中的首选。然而，传统的COT控制架构仍然因为其内在的某些缺点而不能满足某些应用的需要。例如，很多应用需要使开关电源工作在某些特定的频率范围内以避免和其它敏感电路发生相互干扰，而在纯正的COT控制架构中，由于导通时间是固定的，所以它的开关工作频率就是变化的。在降压型开关转换器中，占空比是与输出电压成正比、与输入电压成反比的，因此，当导通时间固定时，关断时间（紧接着是频率）就必然是变化的，这样才能适应输入电压和输出电压的变化。

　　现代的伪固定频率COT架构通过让单稳态电路的导通时间正比于输出电压、反比于输入电压，大大提升了COT的性能。在这种方法中，导通时间被选择在和一个理想的固定频率PWM电路处理类似的输入、输出电压条件下的导通时间相当的状态下，这样的结果是性能被大大地改善了，但开关工作频率仍然会随着输入电压和负载的变化而变化，因为来自开关、电感和其他寄生效应的损耗依然在发生影响。

　　多数COT架构的另外一个问题是他们需要依赖输出电容的较大的ESR来工作，这在遇到体积小、成本低但ESR很低的陶瓷电容时就不再好用了。这些架构需要利用电感电流流过输出电容的ESR时形成的交流电流信息来运作，这有点像是电流模式的控制系统所做的那样，但陶瓷电容能够提供的电感电流信息太微弱了，很难让控制回路能够稳定运作，这就像电流模式的控制系统看不到电流信息一样，它失去了路标，虽然清楚自己要去哪里，但却不知道如何迈步。

　　ACOTTM控制架构

　　有很多原因可以导致即便将导通时间正比于输出电压、反比于输入电压也不能得到好的固定频率表现的结果。首先，电流流过MOSFET开关和电感形成的电压降会使得实际的输入电压低于测量出来的输入电压、实际的输出电压高于测量出来的输出电压。当负载变化时，负载电流导致的开关上的电压降会导致开关频率的变化。其次，在轻载情况下，假如电感电流出现负值、同步续流开关关闭和上桥开关导通以容许输入电压出现在开关节点之间的死区时间延长，都会使得有效的导通时间增加并导致开关频率出现明显的下降。

　　一种降低这些效应的方法是测量实际的开关工作频率并将其和预定的数据进行比较以确定频率调整的方向，其好处是无需测量实际的输出电压，因而省去了一个用于测量输出电压的引线端子。ACOTTM正是采用这种测量实际的开关频率并在反馈回路中调整导通时间的方法来将平均开关工作频率保持在一个预定的范围之内。

　　为了能和低ESR的陶瓷电容配合起来稳定工作，ACOTTM在IC内部使用了一个虚拟的电感电流脉动信号，它代替了通常使用的借助输出电容的ESR生成的电感电流信号，这个信号和其它内部补偿举措相结合优化了和低ESR陶瓷电容配合时的工作表现，达成了稳定工作的目的。

　　ACOTTM单稳态电路的运作

　　ACOTTM的控制逻辑是非常简单易懂的，反馈电压和虚拟电感电流脉动信号相加以后与参考电压进行比较，当前者的幅度低于后者时，一次单稳态导通过程即被触发（触发信号在经过一个与最短截止时间相等的时间以后即被自动复位），上桥开关打开，输入电压进入开关节点加到电感上，电感电流即线性增加；经过预设的固定导通时间以后，上桥关闭，续流开关打开，电感电流从最高点开始线性降低，与此同时，一个最短截止时间单稳态过程被触发以防止另一次导通过程在开关噪声持续期间立即发生，并使反馈电压和电流感应信号可以被正确地获取。最短截止时间被保持在极短的状态，其典型值为230ns，这样可以保证另一次导通过程可以在需要时被及时启动，以便满足负载的需要。

　　这段文字已经说明了 ACOTTM Buck 转换器的特性：极快的瞬态响应速度；可以使用低ESR的MLCC作为输出电容；平均工作频率是稳定的。请注意它不使用电流检测电路和误差放大器，取而代之的是直接将检测到的输出电压和虚拟的电感电流脉动信号的和与参考电压进行比较以决定何时需要唤醒一次导通过程。下面的图形是ACOTTM架构在稳定状态和负载变化情况下的工作波形示意：

图八、ACOTTM架构Buck转换器的工作波形

　　从中可以看出，当负载变化的时候，与电流模式在工作频率固定的情况下通过改变占空比来调节输出电压不一样的是它改变了工作的频率，导通脉冲的急剧增加可使它快速地满足负载的需要，从而快速将输出电压拉回到稳定状态。

　　我们同样选择一款最高工作电压为5.5V的ACOTTM架构低压Buck转换器来测试它的性能，先来看看电路图：

图九、ACOTTM架构Buck转换器的电路实例

　　这一次选择的是RT5784A，它是ACOTTM架构的，平均工作频率也是1.5MHz（请注意是平均工作频率，这是与电流模式不一样的地方），它的负载能力是2A，与我们选用的电流模式器件RT8059的负载能力不一样，但这并不影响我们的测试，因为负载电流是由负载的大小决定的，与负载能力是两回事。输出电压仍然设定为相同的1.2V，我们让负载电流在0.5A到1A之间跳变，下图是测量到的电流波形和输出电压变化的波形：

图十、ACOTTM架构Buck转换器的电路实例瞬态响应波形

　　当负载电流发生跳变的时候，输出电压的下跌只有24mV，远小于电流模式器件在同样条件下出现的66mV的变化。当然了，它的回复稳定状态的时间也是很短的，下图显示了这个过程：

图十一、ACOTTM架构Buck转换器的电路实例瞬态响应波形细节展开

　　不到一个微秒，电感电流就已经追上了负载电流的变化，前述的电流模式器件没有这么快。

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　　ACOTTM已经采取了频率锁定电路来解决它在工作条件变化情况下的工作频率变化问题，它的平均频率是稳定的，但这仍然不能让它的频率是固定不变的，也不能使用外部时钟来对它的动作进行同步，如果你有相关的需要，你还是需要考虑使用电流模式的器件。

　　四、 电流模式固定导通时间（Current-Mode Constant-On-Time， CMCOT）

　　对于某些应用来说，电流模式比较慢的瞬态响应能力是不能接受的，也不能接受电流模式不能太低的占空比，它们对于ACOTTM架构在面对负载快速变化时的工作频率的大范围变化也不能接受，这时候就可以选择一个折中的方案：电流模式固定导通时间架构（CMCOT）。

　　CMCOT的电路拓扑是这样的：

图十二：CMCOT架构Buck转换器的电路拓扑

　　CMCOT Buck转换器的功率开关拥有固定的导通时间，并通过对功率开关关断时间的控制实现输出电压的调整。这种架构中包含了误差放大器和电流检测电路，但对关断时间的控制依据是来源于电感谷值电流的检测信号和误差放大器的比较结果。与电流模式相比，这种模式的转换器具有更宽的带宽，响应速度更快。

　　在DC/DC电路中，每一次的开关切换过程都对应着电流路径的变换和开关节点的电压变化，这就形成了所谓的噪声。电流模式架构的电流检测点是在上桥开关上，那里的电压比较高，信号不好处理，其中包含的噪声也更多更杂更大，正确的信号要在离开关时间点比较久的时候才会出现，这就限制了占空比的最小值。Buck电路的占空比是等于输出电压和输入电压的比值，输入电压越高，输出电压越低，所需要的占空比就越低，这就限制了电流模式的使用范围。当工作频率比较高时，元器件可以实现小型化，这对小体积的设备是非常好的，所以在很多情况下会有对高工作频率的追求，这时候的工作周期会很短，低占空比就意味着很短的脉冲时间，这也会让电流模式的使用成为不可能。

　　同样幅度的输出电压波动，在输出电压比较低的情况下，输出电压波动所占的比例也较高，稍有不慎就可能使负载系统进入不正常的工作状态。随着业界对电子器件在低电压下工作的研究的深入，我们将要面临的工作电压会越来越低，传统的电流模式必将遇到越来越多的挑战。电流模式固定导通时间架构能够兼有电流模式和固定导通时间架构的好处，这在某些情况下是很好的选择。

图十三：CMCOT架构Buck转换器的电路实例

　　上图中的RT8096A是最高5.5V工作电压的CMCOT架构Buck器件，平均工作频率为1.5MHz（请注意它的核心是COT的，所以只能谈平均工作频率，这是由频率锁定电路设定的），负载能力为1A，电路的输出电压为1.2V。当它的负载在500mA至1A之间跳变时，其电流波形和输出电压的变化状况是这样的：

图十四：CMCOT架构Buck转换器的电路实例的瞬态响应波形

　　输出电压的上冲和下坠的幅度都是49mV，这个数据介于已经得到的电流模式的65mV和ACOTTM的24mV之间，优于电流模式，但又劣于ACOTTM。

　　再来看看细节：

图十五：CMCOT架构Buck转换器的电路实例的瞬态响应波形细节展开

　　图中显示在2微秒内开关节点上出现了5个脉冲，回到前面ACOTTM的波形，我们可以看到它在1微秒内打了3个脉冲，很显然，在面对同样负载跳变的情况下，这一次的脉冲频率比较低，也就是说CMCOT真的起到了降低频率变化范围的效果。

　　五、 总结

　　我们已经把几种不同控制架构的实现方法和各自的基本特性做了比较，也比较了它们的性能表现，与实际的应用结合，我们可以看到：

　　输入电压、输出电压和负载的自然特性在大多数情况下是决定选择哪种控制架构最合适的关键因素。

　　具有稳定负载的系统可选择电流模式 Buck 转换器；为了避开某些频率敏感的频带，具有固定工作频率的电流模式也是最佳的选择。一些电流模式 Buck 转换器可提供外部时钟同步的接口。

　　那些存在极快速负载变化的系统（例如CPU内核和DDR存储器这样的应用）和需要极低占空比的应用应该选择 ACOTTM架构的 Buck 转换器来供电。需要引起注意的是这种架构在负载发生变化时的响应过程中开关切换工作频率是有明显变化的。

　　电流模式固定导通时间（CMCOT） Buck 转换器的性能介于电流模式和 ACOTTM之间，因而适用于需要相对稳健的负载响应特性的应用中，那些需要较短的最小导通时间的应用（指较高工作频率结合较大降压比的状况）也是它们发挥作用的时候。

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