电力电子技术文章：COT控制模式简述part7

COT控制系列，本号已连载6篇，需要查看的请关注后自行搜索关键词“电力电子技术文章”。

在上一期中，有朋友问12V哪里来的? 在数据中心场合或者服务器等48V和12V的母线都是比较常见的。据我熟知的而言，48V仍然要转换成12V的bus，作为母线电压输入。因此，这是一个比较常见的例子。

被我忽略的一点是，电容的RMS电流，流入电容的电流会引起电容温升，有些电容制作商会给出RMS电流和温升的关系曲线，更利于计算和选择。比较推荐使用的是X6S或者X7R这种温度范围较宽的陶瓷电容。

输入电容的RMS电流计算公式为

暂时抛出两个计算式以做补充。接下来，就可以搭一个简单的SIMetrix/SIMPLIS仿真模型。根据之前几期的介绍，首先需要搭建一个恒定导通定时器，当然，都是基于行为模型，精度仅够学习观摩使用，各位模拟设计的大佬，多多担待。

图27 恒定导通时间定时器

首先，需要获得与Vin成正比的电流源，可以使用压控流源直接转换成电容充电电流ichar，也可以使用如图所示的流控流源，它将输入电压/Ron的电流转换成电容充电电流ichar。后者这种情况更接近于实际底层的设计，因此姑且采用这种形式。ichar是一个与Vin成正比的可控恒流源，电容电压将会线性上升，被送入比较器的负端。比较器的正端接了一个模拟启动过程的电路，当系统刚启动时，输出电压为0，此时将电容电压vsaw无法与输出电压比较，比较器完全失去功效。在输出电压建立之前，使用一个200mV的内部基准做为比较器的正端输入，这也对应着Ton的最小导通时间；当输出电压大于200mV时，再切换至输出电压做为比较器的正端输入，就可以完成Ton与输出电压成正比的要求。

图29 COT定时器的模拟波形

S3是一个理想的Switch，用来对电容电压放电，从而形成锯齿波的下降沿，它的触发信号在COT控制模式中是由驱动脉冲结束的信号控制，此处仅作定时器的验证，使用比较器的反向输出信号做为触发信号。电压源V2设置成一个从0开始的ramp信号，升到1V时保持。用于模拟输出电压软启动的过程。

从仿真波形上看，完全和设想的一致，比较器的正端在先由200mV开始，达到比较器触发点时，斜坡上升，最后保持在1V。相应的，Ton定时器的锯齿波信号的幅值跟随变化，由于比较器的斜率固定，Ton的时间一直会也会跟随变化。

Ton时间可以计算为

调整电容C1和Ron就可以获得需要的Ton值，按照图的参数计算Ton=128ns，Ton_min=26ns。

图30 COTToff min定时器

同样地，最小关断时间的定时器可以如法炮制，此时可以使用一个简单的恒流源给电容充电，需要注意的是，当Toff_min时间结束的时候，电容C2的正端电压vsaw_toff会大于200mV，比较器输出电平为高，而这个高信号需要一直保持住，直到下一个Ton的脉冲上升沿到来，才对电容进行放电，以释放这个状态。而电容电压又不可一直充电，否则充电电压会很高，所以使用一个钳位稳压管使得稳压值略大于200mV即可。

图31 基本的COT控制模式的框图

我们来说下它的具体的控制逻辑，设定的输出电容的ESR较大于临界值。

利用分压电阻采样输出电压，获得反馈电压vfb信号，与基准电压600mV比较，当vfb低于600mV时，比较器U1输出高电平，而此时的Toff_min定时器的输出跟上述的那样保持高电平的状态。

那么与门U5的两个输入全为高电平，其输出信号U5-OUT为高电平。这个信号输入RS latch的S端，置位Q信号，Q此时拉高，若忽略死区时间，Q即作为上管的原始驱动信号，QN则为下管的原始驱动信号。此时上管开通，电感电流线性上升，对应的输出电压的ESR纹波也会线性上升，反馈电压vfb的纹波电压也在线性上升。

此时，Q拉高还会开通switchS6，将Toff_min定时器电容上的电压放电，也即将Toff_min定时器的输出拉低，也即是将U5-OUT信号拉低，这保证了RS latch的逻辑不会同时出现高的情况，其S上只会出现一个短暂脉冲。

图32 COT控制模式基本逻辑和主要波形

此时，Q拉高，意味着QN拉低，QN拉低断开了switch S3，此时Ton定时器就开始从0开始充电，当电容C1的电压大于Vout(或者200mV的基准电压)，比较器U2的输出发生翻转拉高，此时RS latch的R端为高电平，S端为低电平，输出信号Q拉低，结束Ton时间的驱动脉冲信号，QN则拉高，使得switch S3闭合，Ton定时器电容C1放电到0，比较器U2的输出再次翻转拉低。因此，也保证了RS latch的逻辑，其R上只会出现一个短暂脉冲。

当Q拉低时，同时关断了switchS6，启动了Toff_min定时器。Toff定时器电容C6电压一直上升，超过200mV时，比较器U6会一直拉高，直到下一个开关周期来临。

讲到这里，基本的逻辑思路已经很清晰了。但是有一个疑问，怎么保证Toff_min的确可以在瞬态响应中完成了关断上管Toff_min时间呢？当负载电流增加时，输出电压会产生undershoot，此时反馈电压vfb会持续小于基准电压600mV，可能会保持几个周期。也就说，比较器U1的输出会一直拉高，保持几个周期。当系统开通第一个Ton时间后，Q信号启动Toff_min定时器，当比较器U6拉高时，与门U5的两个输入信号全为高电平，又启动了下一个Ton时间。因而，可以证明，在vfb一直小于基准电压时，上管的确可以完成Toff_min时间的关断。

图33 undershoot瞬态下Toff_min的验证

根据上述的逻辑，跑一次undershoot的瞬态，可以看出底部浅绿色Toff_min的波形，在动态时刻仅以三角波形式出现，而在其他时刻以梯形波出现。因此的确，如上述逻辑所述那样。

顺便提一点，仿真模型仅仅是为了提高一个更直观的理解，加深对系统思想的理解，也作为个人逻辑思想的验证工具，千万不要为了仿真而仿真。如果你想获得和实际中一毛一样的仿真模型，那需要深入到更底层的半导体物理和CMOS模拟电路设计领域，还要考虑杂散参数等问题。这对于Simplis工具来说是不适用的，也偏离了建立Simplis模型的初衷。

这种仿真模型对模拟IC设计者而言，就像一个已经不适合成年人玩耍的儿童玩具，显得有些拙劣。如果能为系统设计者或者电源应用设计者提供一些微小的帮助，笔者已经颇感欣慰了。

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