利用FCIC技术改善COT降压调压器输出性能

COT调压器的主要制约

传统的COT调压器的主要制约是它需要数十到数百欧姆的输出电容等效串联电阻(ESR)来提供稳定的输出电压，因此不适合采用ESR值低(<10m欧姆)的小尺寸陶瓷电容。经验上，通常试验时选择足够大的ESR值，因为没有办法凭经验来估计所需要的最低ESR。尽管大的ESR能确保稳定性，但是增大了输出纹波，不利于输出电压调节和电源效率。

COT降压调压器的稳定性分析

对于COT调压器，导通时间是固定的，通过负反馈机制调节关断时间来调节输出电压。当要结束关断时间并触发一个新的开关周期时，反馈比较器很重要，这发生在当V_OO =V_REF+v_C+v_ESR, v_C和v_ESR分别是输出电容电压分量以及电感电流在ESR上产生的电压降。在根据V_REF进行标准化后，当v_C + v_ESR < 0 或v_C < -v_ESR时触发一个新的开关周期。从图1可以看出，对于两个不同的ESR范围，可以有两种不同的工作模式。如果ESR太小，将产生次谐波(sub-harmonic)振荡的工作模式，因为在固定的导通时间结束之前，达到了v_CESR条件。在本例中，触发了一个新的开关周期。尽管依然可以调节输出电压，关断时间并没有根据开关频率逐个周期进行调整，而是采用次谐波。对于足够大的ESR，在开关周期内v_C ≥ -v_ESR，将不可能发生次谐波振荡，调压器能够确保稳定。

图1：采用不同ESR值的波形。

临界输出电容的ESR

观察可以发现存在一个临界的ESR值(ESRc)，这个值就是那个足够使COT调压器稳定的值。尽管增大ESR调压器能保持稳定，但是输出纹波电压同时增加。在图1中可以看出，ESRc是使-v_ESR在关断时间结束时刻的瞬间斜率比v_C小的最小ESR值。

对于ESR = ESRc,

从上面的分析，稳定的条件是：

采用比ESRc大的ESR值，调压器依然稳定，但是由于增加了v_ESR，输出电压纹波更大了。临界ESR公式给出了输出电容的最小ESR值的最好估计，这个值能确保稳定同时使COT降压调压器的输出纹波尽量小。

上面用于预测获得稳定的最小ESR的公式经过了传统COT降压调压器的验证。图2显示了避免在给定“ton”和C_OUT、递增负载(step load)为200mA的条件下发生次谐波振荡所要求的最小ESR。

图2：指定ton/COUNT条件下，采用LM5007的测试和计算ESRc的比较。

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飞轮电流注入控制技术

COT降压调压器导通时间是固定的，只有关断时间根据负载条件进行调节。v_ESR作为一种三角波由两部分组成，一部分是在导通期间的上升沿电压，另外是在关断期间的下降沿电压。由于只有调节关断时间，v_ESR的下降沿电压部分对于获得稳定性是必须的。飞轮电流注入控制(FCIC)技术就是基于这样的假设开发的。

在关断期间，重复循环电感电流(飞轮电流)从地流经同步开关和电感，再到输出。如果我们用R_J作为感应电阻，可以发现反向的v_SEN是关断期间v_ESR部分的复制。DC参考电压加上v_SEN，并将得到的总电压与v_O进行比较，ESR用于稳定的功能可以被R_J所替代。输出电容不需要外部ESR。

R_J可以是一颗得到很好控制的片上电阻，或者更简单地说，仅仅是同步开关的电阻，通常比所需要的临界ESR大。则没有ESR也可以确保稳定，从而可以使用小的陶瓷输出电容，而输出电压纹波可以很小。

图3给出了采用FCIC的COT降压调压器的功能框图和应用框图。它接受从4.5V到36V的很宽输入电压范围，可以获得最大93%的效率。采用陶瓷输出电容获得低于5mV的输出纹波电压。

图3：采用FCIC的COT降压调压器典型的应用电路

本文小结：

临界ESR公式很好地估计了输出电容的最小ESR值，可以确保COT降压调压器稳定，同时使输出纹波尽可能地小。采用临界ESR和FCIC使简单的COT降压调压器更简化。FCIC消除了为满足COT调压器的稳定所带来的ESR约束，允许使用陶瓷输出电容来使输出纹波电压最小。

作者：

Lawrence H.S. LING

Issac HSU

Gladys KOON

美国国家半导体公司

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