Chapter 5 Ripple-Based Control Technique Part II-2
5.2 Analysis of Switching Frequency Variation to Reduce Electromagnetic Interference
基于纹波的on-time控制(ripple-based on-time control) 相比电流模和电压模, load, line transient等性能指标更好.
对于line transient性能, 电流模比电压模好, 因为Vin的突变会导致电感电流发生变化, 但是仍然受到EA带宽的限制. 对于纹波注入控制, Vout的变化直接改变占空比D, 因此响应速度快. 对于load range和输出conversion ratio, 电流模受限于current-sensing的带宽和结构, 采样电路不能在短ton内采样电流.
基于纹波的on-time控制是无时钟结构, 开关频率随着Vin, Vout和iLoad改变, fsw变化较大. 会对ADC, DAC, PLL等产生较大EMI干扰.
5.2.1 Improvement of Noise Immunity of Feedback Signal
可以增加反馈信号的抗干扰能力来消除noise影响.
5.2.2 Bypassing Path to Filter the High-Frequency Noise of the Feedback Signal
Fig 5.30可以在Vfb上加电容Cnf来消除噪声, 但是R1||R2和CNF产生phase lag, 造成phase margin下降.
5.2.2.1 Feedforward Path to Enlarge the Feedback Signal
Fig 5.31通过添加前馈电容CFF来提高抗噪声能力, 而且增加了Vout输出纹波变化的通路.
CFF引入了一对零极点.
极点位置大于零点位置.
设计零点位置在开关频率附近, 让前馈电容有效传导电感电流纹波. 可推导出Vfb和iL传输函数:
前馈电容CFF将Resr增加(R1+R2)/R2倍
5.2.2.2 Active Controller to Enlarge the Feedback Signal (Patent-US 6958594)
在on-time期间, 增加Vfb和Vref之间的电压差, 可提高抗噪声能力, 防止PWM比较器误反转. 低Vin意味大on-time, 和大压差. 高Vin意味着小on-time和小压差. 因此Vfb和Vref的压差取决于1/Vin. Cnf的电压由On-time的current source充电决定.
工作波形如下图所示, 在ton期间Vfb和Vref的压差变大.
在高Vin, 短on-time场景可以通过增加DC offset来提高抗干扰.
5.2.3 Technique of PLL Modulator
在不同Vin, Vout和iLoad下, 也可用锁相环PLL来控制on-time, 从而固定开关频率.
5.2.4 Full Analysis of Frequency Variation under Different vIN, vOUT, and iLoad
5.2.4.1 Operation of On-Time Control Switching Converter
典型COT 控制的DC-DC结构如下图所示.
Ton开启由CMP输出Vset决定, ton关闭由on-time控制决定.
5.2.4.2 Analysis of Switching Frequency Variation
开关频率fsw与D和ton的关系如下
由于电感DCR和功率管ron, 实际占空比D比设计值Vout/Vin要更大. 实际开关频率会随着Ton, Vin, Vout, iLoad发生变化.
5.2.5 Adaptive On-Time Controller for Pseudo-Constant fSW
5.2.5.1 Fixed On-Time Controller (Fixed TON)
固定ton产生电路如下图所示
为恒流源给电容充放电, ton时间为
由于ton固定, 因此频率随着Vin和Vout发生变化.
5.2.5.2 Adaptive On-Time Controller Utilizing Information on vIN and vOUT
让Ton正比于Vout, 反比于Vin, 那么开关频率fs就可以在不同Vin和Vout下保持基本一致, 实现伪定频(发生瞬态时fsw会发生变化). 考虑下图结构.
正比于Vin的电流给Con充电, 和Vout相比, 产生Ton正比于Vout, 反比于Vin.
发生load transient时, 例如iLoad增加, vout下降, 固定ton通过缩短toff时间来给vout补能. adaptive ton通过延长ton来给vout补能.
另外在startup时, vout初始电压为0V, 需要特别小心ton极小, 无法打拍. 可设置最小电压clamper来限制比较器最小输入电压, 确保min_ton. 如下图所示. 另外vout有开关噪声, 需要经过buffer处理.
5.2.5.3 Circuit Implementation (1)
Fig 5.50实现了给Con充电电流正比于Vin的功能
ion充电电流
5.2.5.4 Circuit Implementation (2)
Fig 5.51展示另外一种ion正比于Vin电路
假设Vin >> Vgs
5.2.5.5 Adaptive On-Time Controller with Information on vLX and vOUT
另外一种思路是采样LX点作为ton的产生电路. LX点含电感电流信息, 即iLoad信息. LX=VIN-iLoad*Ron, 采用下图结构
因此Ton和iLoad有关. iLoad增加, ton增加. 而且频率的变化会减小.
5.2.5.6 Circuit Implementation (3)
Fig 5.54展示了自适应iload的 on-time控制 电路实现.
电容充电电流Ion, Ion=i1+i2. 设计Ra1=Ra2/n, 这样抵消vramp电压. 因此Ion=Vlx/Ra1, 正比于vin
因此Ton时间为
