本報告描述了三種 DC/DC 降壓轉換器拓撲：電流模式、電流模式-恒定導通時間和立锜高級恒定導通時間拓撲。解釋了三種拓撲之間的差異，并針對最終應用列出了每種類型的優缺點。

一、簡介

本報告描述了三種 DC/DC 降壓轉換器拓撲：電流模式、電流模式-恒定導通時間和立锜高級恒定導通時間拓撲。解釋了三種拓撲之間的差異，并針對最終應用列出了每種類型的優缺點。

2. 電流模式降壓轉換器

電流模式降壓轉換器的框圖如圖 1 所示。

圖 1. 電流模式框圖

在經典電流模式控制中，固定頻率時鐘激活上部 MOSFET。誤差放大器查看反饋信號和參考電壓之間的差異。電感電流的上升斜率與誤差放大器的輸出進行比較，當電感電流超過誤差放大器電壓時，上部 MOSFET 關斷。然后電感電流流過下部 MOSFET，系統等待下一個時鐘脈沖。斜坡補償斜坡被添加到電流斜坡，以避免高占空比下的次諧波振蕩并提高噪聲性能。在電流模式轉換器中，環路帶寬（F BW） 由誤差放大器輸出端的補償元件設置，并限制在遠低于轉換器開關頻率的范圍內。電流模式穩態和負載瞬態操作的波形如圖 2 所示。

圖 2. 電流模式穩態和負載瞬態波形

固定時鐘使電流模式控制系統對負載突然變化的響應速度相對較慢，尤其是在低占空比應用中，因為一旦上部 MOSFET 被關閉，它會一直保持關閉狀態，直到下一個時鐘周期。當轉換器試圖滿足新的負載需求時，有限的帶寬也限制了可以實現的可用占空比。在表現出快速負載階躍的應用中，電流模式轉換器將表現出相對較大的輸出電壓波動。階躍負載期間的電壓暫降 ΔV 與負載階躍幅度和速度、輸出電容和轉換器帶寬有關。為了確保電流模式轉換器的良好穩定性，帶寬通常設置為開關頻率的 1/10 或更小。

電流模式轉換器的另一個缺點是，用于控制 MOSFET 開關的決策點是在上 MOSFET 的導通時間內做出的，此時電流電平和系統噪聲都很高。需要進行噪聲過濾，這對上部 MOSFET 的最小導通時間造成了一定的限制，進而限制了降壓轉換器的最小占空比范圍。固定斜率補償通常還對可在某些輸入和輸出電壓條件下使用的電感值構成限制。

電流模式轉換器也有優勢：無論輸入和輸出條件如何，內部時鐘都能保持開關頻率非常穩定，這在某些應用中可能是一個優勢。內部時鐘也可以與外部時鐘信號同步，從而可以在同一頻率上運行多個轉換器。

表 1 列出了電流模式降壓轉換器的優缺點。

3. 立锜電流模式-COT （CMCOT） 降壓轉換器

Richtek 電流模式 COT 轉換器的框圖如圖 3 所示。

圖 3. 電流模式 - Cot 轉換器框圖

CMCOT 降壓轉換器沒有內部時鐘；上部 MOSFET 始終在預定義的固定導通時間導通。通過改變上 MOSFET 的關斷時間來調節占空比。CMCOT 轉換器還包含一個電流檢測和誤差放大器，但現在將電流的下降斜率與誤差放大器的輸出進行比較。因此，在較低的 MOSFET 中感測電流，這更容易實現，并且不易出現噪聲拾取，尤其是在低占空比條件下。系統不需要等待下一個時鐘周期的事實使得可以更快地對突然的階躍負載做出反應；一旦輸出電壓下降并且誤差放大器電壓上升到下降電流斜率以上，就會觸發新的導通時間并且轉換器電流再次上升。

圖 4. 電流模式 - Cot 穩態和負載瞬態波形

電流谷值必須跟隨誤差放大器的輸出，因此誤差放大器的增益和速度會影響控制速度。在 CMCOT 拓撲中，可以通過補償設置的最大帶寬與導通時間的倒數有關，而不是與電流模式中的開關頻率有關。因此，CMCOT 轉換器可以具有比電流模式轉換器更高的帶寬，并且在快速負載階躍期間顯示出更少的輸出電壓波動。CMCOT 在高占空比下不會出現次諧波振蕩，因此不需要斜率補償，這使得電感值的選擇范圍更廣。

在純固定導通時間拓撲中，開關頻率在不同的輸入和輸出電壓條件下會有很大偏差。在立锜 CMCOT 中，導通時間由一個特殊電路控制，該電路緩慢調整導通時間以將平均開關頻率調節到定義值。與電流模式類似，階躍負載期間的電壓暫降 ΔV 與負載階躍幅度和速度、輸出電容和轉換器帶寬有關，不同之處在于，在 CMCOT 中，補償組件可以設置為高于 1/10 的帶寬的開關頻率。

CMCOT 也有一些缺點：由于轉換器控制頻率來調節輸出電壓，這使得轉換器無法與外部時鐘同步。頻率控制環路還意味著開關頻率在負載瞬態期間會出現一些變化。

表 2 列出了 CMCOT 降壓轉換器的優缺點。

4. Richtek Advanced-COT （ACOT?） 降壓轉換器

Richtek ACOT 轉換器的框圖如圖 5 所示。

圖 5. ACOT 框圖

ACOT 轉換器不包含誤差放大器或電流檢測；他們直接將反饋信號（直流電平 + 紋波電壓）與內部基準進行比較。當反饋信號低于參考值時，會產生一個新的固定導通時間，電感電流會上升。如果輸出電壓尚未恢復，則在短暫的消隱期后產生另一個導通時間，直到電感電流與負載電流匹配并且輸出電壓再次處于其標稱電平。傳統的 COT 轉換器需要一些與電感電流同相的輸出電壓紋波才能以穩定的方式進行開關。這需要具有一定 ESR 的輸出電容器。

為了能夠使用低 ESR 陶瓷電容器，立锜 Advanced-COT 拓撲利用內部生成的 PSR 斜坡信號，該信號被添加到來自轉換器輸出的紋波和直流電平中。將這些相加，然后與內部參考進行比較。當該電壓總和低于參考電壓時，比較器觸發 ON 時間發生器。輸出電壓的突然下降將立即導致新的導通時間，只要輸出電壓沒有恢復，轉換器就可以產生連續的導通時間。這使得 ACOT 拓撲對負載瞬變的反應速度極快。一個特殊的鎖頻環系統將緩慢調整導通時間，以將平均開關頻率調節到定義值。

ACOT 穩態和負載瞬態操作的波形如圖 6 所示。

圖 6. ACOT 穩態和負載瞬態波形

負載瞬變期間 ACOT 轉換器電壓暫降的近似公式如下所示：

其中 δmax 是轉換器在負載瞬態期間可以產生的最大占空比，與導通時間和消隱時間有關。

ACOT 轉換器在快速負載瞬變期間會出現較大的頻率偏差。當最終應用對某些開關頻帶敏感時，應在動態負載條件下使用 ACOT 轉換器檢查此靈敏度，此時動態頻率擺幅最為明顯。

表 3 列出了 ACOT 降壓轉換器的優缺點。

5. 比較測量

通過在 5V→1.2V/1A 應用中使用 3 個立锜低壓 Buck 轉換器比較了三種拓撲的實際行為：

RT8059 （1.5MHz/1A 電流模式降壓轉換器）

RT8096A （1.5MHz/1A CMCOT 降壓轉換器）

RT5784A （1.5MHz/2A ACOT 降壓轉換器）

三種應用中的關鍵元件（輸出電容和電感值）相同，因此測量結果和差異純粹是由不同的控制拓撲引起的，可以直接比較。

轉換器在快速負載步驟（dI/dt 速率與 MCU 內核和 DDR 負載中看到的相似）進行了測試。

RT8059應用及測試結果：

圖 7 顯示了具有內部補償的電流模式降壓RT8059的應用。添加了一個外部前饋電容器 C7 以優化響應。

圖 7. RT8059 5V→1.2V/1A 應用

測量結果：（電流模式）

RT8059 550mA 快速階躍負載階躍載荷的詳細信息

輸出電壓跌落為 65mV 或 5%。占空比在瞬態期間逐漸變化。

圖 8

RT8096A應用及測試結果：

圖 9 顯示了 CMCOT 降壓RT8096A的應用，它也具有內部補償。添加了一個外部前饋電容器 C2 以優化響應。

圖 9. RT8096A 5V→1.2V/1A 應用

測量結果：（CMCOT）

RT8096A 550mA 快速階躍負載階躍載荷的詳細信息

輸出電壓跌落為 49mV 或 4%。在瞬態期間頻率將增加，從而增加占空比。

圖 10

測量結果表明，在這個 5V→1.2V 應用中，CMCOT 降壓與 CM 降壓相比，階躍負載響應要好 20% 左右，因此在這種情況下差異不大。具有較高降壓比的 CMCOT 應用將具有更短的接通時間，因此可以具有更高的帶寬，因此這些應用將在階躍負載響應方面表現出更大的差異。

RT5785A應用及測試結果：

圖 11 顯示了使用 ACOT 降壓 RT5785A 的應用，它有一個直接的 VOUT 連接來確定開啟時間。不需要前饋或其他補償。

圖 11：RT5785A 5V→1.2V/1A 應用

測量結果：（ACOT）

RT5785A 具有 550mA 快速階躍負載階躍載荷的詳細信息

輸出電壓跌落為 24mV 或 2%。頻率將立即增加以獲得瞬態期間的最大占空比。

圖 12

ACOT 降壓在所有三種控制拓撲中都具有出色的階躍負載響應。

6.總結

在為您的應用選擇降壓轉換器時，您需要考慮哪些參數對最終應用最重要。如果系統在某些頻率下容易受到噪聲的影響，您可能還需要使用電流模式降壓轉換器，并可能將其與外部時鐘信號同步以非常精確地設置開關頻率。CM 轉換器對他們可以達到的最短時間有一些限制。因此，具有高開關頻率的 CM 降壓轉換器不適用于具有高降壓比的應用。

如果應用負載具有中等瞬態負載條件，您可能需要選擇 CMCOT 拓撲降壓，以減少負載瞬態期間的輸出電壓波動。與標準電流模式降壓轉換器相比，CMCOT 轉換器可以實現 20% ~ 30% 更好的負載瞬態行為。CMCOT 對低占空比應用中的噪聲也不太敏感。由于其最小導通時間非常小，CMCOT 降壓可用于具有較大降壓比的應用。CMCOT 轉換器的開關頻率在負載瞬變期間會出現一些偏差。

如果應用負載顯示出嚴重的快速負載瞬態（如在內核和 DDR 軌中看到的），最好選擇 ACOT 降壓轉換器，它可以將負載瞬態行為提高 2 到 4 倍。它們特別適用于低占空比應用。 由于具有非常小的最小導通時間，具有高開關頻率的 ACOT 降壓器可用于具有大降壓比的應用中。ACOT 轉換器的開關頻率在負載瞬態期間會出現相當大的偏差。但是沒有環路補償和斜率補償使 ACOT 設計簡單、靈活且具有成本效益。