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开关电源变换器工作模式--COT固定开通时间模式 [复制链接]

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发表于 2017-3-7 15:07:06 |显示全部楼层

前言

前面讲述了电压模式、电流模式的工作原理,事实上,从控制策略而言,以BUCK电路为例,可以用下面的公式来说明:

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

Vo是固定不变的,当Vin变化的时候,需要有另一个变量相应的变化,从而维持Vo的稳定不变,这样就可以得到以下的控制模式。

(1)如果Ts固定,也就是工作频率fs固定,Vin变化时,D相应的改变,这种方式是固定频率,调节占空比,就是通常所说的PWM控制模式。

(2)如果Toff固定,Vin变化时,Ton 相应的改变,也就是改变fs,这种方式叫固定关断时间控制模式。

(3)如果Ton固定,Vin变化时,Toff相应的改变,也就是改变fs,这种方式叫固定开通时间控制模式,也就是非常有名的COT控制模式,也称谷点电流模式。它的控制策略是固定开通时间,检测电流的方式是检测下管的谷点电流,也就是输出电感锯齿波电流的谷点电流。

可以的看到,后面二种模式是变频控制模式,这也为电源的设计的带来一些问题。

传统的峰值电流模式在小占空的应用中,受到最小占空比的限制,具有动特性差的缺点,而COT固定开通时间的控制方式,关断时间长,有充足的时间来检测谷点电流,对于小占空的应用,具有天然的独特的优势,这些年来,得到一些芯片原厂的青睐,推出了许多相应的产品,从而广泛的应用到一些低电大电流以及需要好的动特性的系统中。



1 COT模式的工作原理及特

COT模式也是双闭环控制系统,反馈有二个环路:电压外环和电流内环,如图1所示。电压外环包括电压误差放大器,反馈分压电阻器和反馈补偿网络。电压误差放大信号的输出端连接到电流比较器的同相端。电流环检测是的续流侧的电流,电流放大信号连接到电流比较器的反相端。

COT模式工作过程如下:

(1)若初始的状态是高端的主开关管开通,电感激磁,电流线性上升,高端开关管导通一段固定的时间,此时间由内部的定时器设定。

(2)当高端开关管关断后,低端开关管导通,此时电感开始去磁,电感电流线性下降,同样,低端开关管的电流随着时间线性下降,电流检测电阻为低端开关管的导通电阻,所以电流检测信号的电压信号也线性下降,由于此时Vc低于Vs,电流比较器输出为低电平。高端开关管维持关断,而低端开关管维持导通。

(3)当电流检测电阻的电压信号继续下降,直到Vc等于Vs时,电流比较器的输出翻转,从低高电平翻转为高电压,逻辑控制电路工作,关断低端的续流开关管的驱动信号,高端的主开关管开通,同时送出触发信号给定时器,启动定时器工作。高端开关管导通后,电感开始激磁,电流线性上升,进入下一个周期,如此反复。如图2所示。


图1:谷点电流模式的控制系统图

图2:谷点电流模式工作波形

调节工作原理如下:

(1)当输出负载增大时,输出电压降低,因此,Vc增大,线性降低的电感电流在较高的值就和Vc相等,使电流比较器翻转,因而,续流二极管导通较短的时间,而高端的主开关管导通的时间不变,也就是开关周期变短,开关频率增大,输入功率增加,因此输出电压增加,当输出电压增加到调节的范围内时,系统保持平衡。

(2)当输出负载减小时,输出电压增大,因此,Vc降低,线性降低的电感电流只有在更低的值才能和Vc相等,使电流比较器翻转,因而,续流二极管导通较长的时间,而高端的主开关管导通的时间不变,也就是开关周期变长,开关频率降低,输入功率降低,因此输出电压降低,当输出电压降低到调节的范围内时,系统保持平衡。


特别注意:现在一些COT芯片,直接将输出电压信号和电流信号进行合成处理,然后送到比较器,输出控制上、下管的开通和关断驱动信号,这样就没有输出电压的误差放大器反馈回路,设计更为简单。

COT模式可以用低端的开关管的导通电阻作电流检测电阻,也可以在开关管的源极下面串联一个电流检测电阻。用低端的开关管的导通电阻作电流检测电阻可以提高系统的效率,省去额外价格贵的电流检测电阻,但精度比较差。注意的是:高端的主开关管和低端的同步续流管之间要设定一定的死区时间防止上下管的直通。

   

(a)  谷点电流模式         (b)峰值电流模式

图3:谷点电流和峰值电流模式输出负载0A到5A跳变响应


2 COT模式的工作优缺点

COT模式的优点:

(1)可以工作在宽的输入电压范围。

(2)可以工作在极低占空比条件。

(3)易于检测电流。

(4)快速负载响应,从图1-16可以看到,谷点电流模式在当前的周期就可以响应负载的变化,而峰值电流模式只能在下一个开关周期才能响应负载的变化。


COT模式的缺点:

(1)在占空比小于50%时需要斜坡补偿。

(2)变频工作时电感不易优化设计。

在变频方式工作时,当输入和输出电压变化时,高端MOSFET的导通时间均恒定固定不变化,那么系统将工作在较宽的频率范围,不利于电感的优化工作。通常在控制器内部需要一个前馈电路,使高端MOSFET的导通时间随输入电压成反比的变化,随输出电压成正比的变化,从而维持在输入电压变化和负载变化时,变换器近似的工作于定频方式。



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