ACOT（高級(jí)恒定導(dǎo)通時(shí)間）降壓轉(zhuǎn)換器是非線性遲滯拓?fù)?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器。使用經(jīng)典波特圖開環(huán)增益相位測(cè)量評(píng)估這些轉(zhuǎn)換器可能會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果，并可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。在檢查 ACOT 轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性時(shí)，立锜建議在時(shí)域中進(jìn)行階躍負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試，而不是開環(huán)增益/相位測(cè)量。本應(yīng)用筆記描述了對(duì)這些轉(zhuǎn)換器進(jìn)行適當(dāng)穩(wěn)定性測(cè)試的背景、測(cè)量方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。包括對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)量工具、波形分析、示例和執(zhí)行快速階躍負(fù)載測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)的說明。

一、簡(jiǎn)介

ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器是非線性遲滯拓?fù)?a target="_blank">控制系統(tǒng)。ACOT 轉(zhuǎn)換器利用內(nèi)部生成的紋波信號(hào)，該信號(hào)被添加到來自轉(zhuǎn)換器輸出的紋波和直流電平中。將這些相加，然后與內(nèi)部參考進(jìn)行比較。當(dāng)該總和低于參考值時(shí)，比較器觸發(fā) ON 時(shí)間 One-Shot 發(fā)生器。見圖 1。

圖 1. ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器控制機(jī)制和操作

在 ACOT 控制系統(tǒng)中，輸出反饋電壓不像在電流模式轉(zhuǎn)換器中那樣提供線性變化的信號(hào)，而是為滯后控制機(jī)制提供動(dòng)態(tài)變化的調(diào)制信號(hào)。因此，傳統(tǒng)的開環(huán)相位裕度分析（通過在輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)之間插入掃描信號(hào)來執(zhí)行）會(huì)干擾遲滯控制環(huán)，并產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)電流模式或電壓模式轉(zhuǎn)換器完全不同的結(jié)果?；谶@些常規(guī)測(cè)量的結(jié)論可能是不正確的。請(qǐng)參見下圖 2 中的示例：電流模式系統(tǒng)（左）與 ACOT 系統(tǒng)（右）的開環(huán)增益/相位。

圖 2. 電流模式和 ACOT 轉(zhuǎn)換器的開環(huán)增益/相位仿真顯示出截然不同的結(jié)果

但是，可以通過計(jì)算其閉環(huán)響應(yīng)在頻域中對(duì) ACOT 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)學(xué)分析：這是通過將正弦波掃描信號(hào)添加到控制輸入（在 Vref）并查看輸出電壓與控制輸入的波特圖來完成的：如圖 3 所示。

圖 3. ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)測(cè)量

這種計(jì)算 ACOT 閉環(huán)響應(yīng)的方法提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)閽呙璨迦胄盘?hào)被添加到穩(wěn)定的直流控制信號(hào)中，因此不會(huì)干擾動(dòng)態(tài)變化的調(diào)制信號(hào)。結(jié)果與電流模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)果非常相似，如圖 4 中的示例所示：電流模式的閉環(huán)增益/相位（左）與 ACOT（右）。

圖 4. 電流模式和 ACOT 轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)增益/相位仿真顯示相似的增益和相位曲線

圖 5. 具有各種阻尼因子的閉環(huán)增益相位（基于 800kHz 電流模式降壓轉(zhuǎn)換器）

在閉環(huán)數(shù)學(xué)分析中，通過觀察閉環(huán)響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
平坦的增益響應(yīng)被認(rèn)為是穩(wěn)定的（臨界阻尼或過阻尼響應(yīng)），而增益中的嚴(yán)重峰值以及諧振頻率附近的相位突然降低（欠阻尼響應(yīng)）對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)開環(huán)增益中的低相位裕度。參見圖 5：具有各種阻尼因子的閉環(huán)增益/相位示例。

非常低的阻尼因子 ξ 將對(duì)應(yīng)于低相位裕度。為確保開環(huán)相位裕度高于 45°，閉環(huán)阻尼系數(shù) ξ 應(yīng) > 0.43。

2. ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性邊界

傳統(tǒng)的恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 降壓轉(zhuǎn)換器需要與電感器電流同相的反饋信號(hào)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。正是出于這個(gè)原因，傳統(tǒng) COT 轉(zhuǎn)換器使用具有一些最小 ESR 的輸出電容器，因?yàn)樵?ESR 輸出紋波與電感器電流同相。當(dāng)使用非常低的 ESR 輸出電容器時(shí)，ESR 輸出紋波變得太小而無法使用，并且剩余的反饋信號(hào)具有太多的相位延遲。結(jié)果是不穩(wěn)定和振蕩。

ACOT 轉(zhuǎn)換器克服了這一限制，因?yàn)樗鼈兝门c電感電流同相并添加到反饋信號(hào)的內(nèi)部紋波發(fā)生器。這允許使用非常低 ESR 的輸出電容器，并意味著 ACOT 轉(zhuǎn)換器將在廣泛的應(yīng)用和工作條件下保持穩(wěn)定。但是，有些情況可能會(huì)導(dǎo)致切換不穩(wěn)定：

a.當(dāng)使用非常小的輸出電容器（< 5μF）時(shí)，較大（相移）的輸出紋波可能會(huì)導(dǎo)致次諧波不穩(wěn)定，因?yàn)檩敵黾y波幅度遠(yuǎn)大于內(nèi)部產(chǎn)生的紋波。在正常應(yīng)用中，C-out 范圍為 22μF ~ 66μF，因此這通常不是問題。

b.在更高占空比的應(yīng)用中（更高的輸出電壓或更低的輸入電壓），內(nèi)部紋波信號(hào)的幅度會(huì)增加。在 ACOT 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前，反饋信號(hào)上的電壓變化必須超過內(nèi)部紋波幅度。由于這種情況下的內(nèi)部紋波很大，響應(yīng)可能會(huì)變得太慢，并且可能會(huì)顯示出阻尼不足的響應(yīng)。這可能會(huì)導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)一些振鈴，尤其是在 12V 至 5V 等較高輸出電壓應(yīng)用中尤其明顯，在這些應(yīng)用中占空比較高且反饋網(wǎng)絡(luò)衰減較大，從而增加了延遲。

影響這種行為的外部組件：

- 較高的反饋網(wǎng)絡(luò)衰減（較高的輸出電壓應(yīng)用）會(huì)使情況變得更糟
- 較大的輸出電容會(huì)使情況變得更糟，因?yàn)檩敵霾▌?dòng)也更小和延遲
- 較大的電感值會(huì)使情況變得更糟，因?yàn)槟芰肯到y(tǒng)可以在一噸周期內(nèi)交付 降低對(duì)于這些應(yīng)用，建議在上反饋電阻器上

添加一個(gè)前饋電容器 (C ff )。這增加了控制系統(tǒng)的阻尼。見下圖 6。

圖 6. ACOT 轉(zhuǎn)換器原理圖。前饋電容 C ff 可用于增加系統(tǒng)阻尼

ACOT 器件數(shù)據(jù)表中的推薦應(yīng)用組件表將顯示 C ff的典型值，這將導(dǎo)致穩(wěn)定運(yùn)行。為了獲得最佳穩(wěn)定性和整體應(yīng)用驗(yàn)證，立锜開發(fā)了一種設(shè)計(jì)工具，可以幫助確定 C ff 的最佳值。

3. ACOT 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)工具

ACOT 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)工具可用于計(jì)算任何 ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的前饋電容器 C ff的最佳值。

輸入應(yīng)用參數(shù)（ACOT 器件、輸入和輸出電壓、輸出電容和 ESR、電感值）后，該工具將首先計(jì)算反饋電阻，然后計(jì)算無前饋電容的控制系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)。然后它將確定最佳系統(tǒng)阻尼的最佳 C ff值。

用戶可以選擇不同的前饋電容值并查看對(duì)閉環(huán)響應(yīng)的影響。阻尼系數(shù) ξ 將被計(jì)算出來，可以用來判斷整個(gè)變流器的穩(wěn)定性。

圖 7. 電路參數(shù)字段。這個(gè)例子是一個(gè) 5V 的應(yīng)用，帶有 80μF 的陶瓷輸出電容。

對(duì)于此應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員將需要添加一些前饋電容。

圖 8. 沒有和有 C ff的反饋網(wǎng)絡(luò)和阻尼因子 ξ 的計(jì)算。C ff的最佳值為180pF，這將導(dǎo)致阻尼系數(shù) > 0.707。當(dāng)使用 C ff = 68pF 時(shí)，阻尼系數(shù)將為 0.509，這是略微欠阻尼的情況，但提供了足夠的穩(wěn)定裕度。

該工具將繪制兩種條件的增益和相位。

圖 9. 沒有 C ff（左）和 C ff = 68pF（右）的閉環(huán)增益

4. ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性測(cè)試

盡管可以通過閉環(huán)計(jì)算對(duì) ACOT 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，但這種方法不能用于實(shí)際測(cè)試，因?yàn)闊o法從 IC 外部訪問轉(zhuǎn)換器控制輸入 (V ref )。然而，由于頻域閉環(huán)阻尼因子和時(shí)域負(fù)載瞬態(tài)特性之間的關(guān)系，可以通過應(yīng)用快速負(fù)載階躍并觀察由此產(chǎn)生的輸出電壓波動(dòng)來輕松測(cè)量 ACOT 轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

圖 10. 負(fù)載階躍期間的 ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓。

左側(cè)的圖 10 顯示了在具有不同阻尼因子 (ξ) 的快速負(fù)載階躍瞬態(tài)期間降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波動(dòng)。
很明顯，階躍負(fù)載期間的瞬態(tài)輸出電壓將根據(jù)所使用的阻尼因子表現(xiàn)出不同的行為：

具有足夠阻尼的系統(tǒng)（藍(lán)色波形）不會(huì)出現(xiàn)任何振鈴，輸出電壓將平穩(wěn)地移動(dòng)到其最終值. 這與非常好的相位裕度相關(guān)，在這種情況下約為 75 度。

當(dāng)阻尼因子降低時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)（綠色波形）中開始出現(xiàn)振鈴，并且相關(guān)相位裕度很低，但對(duì)于大多數(shù) 46° 應(yīng)用來說是可以接受的。隨著阻尼因子的進(jìn)一步降低，振鈴增加并且相位裕度被侵蝕。（紅色波形）

對(duì)于 ACOT 轉(zhuǎn)換器，阻尼系數(shù) > 0.43 是可以接受的，阻尼系數(shù) > 0.50 將保證穩(wěn)定性，包括器件公差。這意味著輸出電壓可能會(huì)出現(xiàn)一些輕微的振鈴，在 < 1.5 個(gè)周期內(nèi)迅速衰減。

5. 實(shí)際測(cè)量設(shè)置

要通過快速負(fù)載瞬態(tài)檢查穩(wěn)定性，必須應(yīng)用速度超過轉(zhuǎn)換器帶寬的負(fù)載階躍。對(duì)于 ACOT，環(huán)路帶寬可以在 100 ~ 200kHz 的量級(jí)，因此具有 500nsec 最大上升時(shí)間 (dI/dt ≈ 2A/μsec) 的負(fù)載階躍可確保激勵(lì)頻率足夠。（> 300kHz）。負(fù)載階躍的實(shí)際幅度并不重要，一般建議電流階躍為最大負(fù)載的 20~30%。因此，對(duì)于 3A 轉(zhuǎn)換器，具有可變 DC 值的 1A 峰峰值電流階躍是合適的。對(duì)于具有增強(qiáng)輕負(fù)載效率模式的轉(zhuǎn)換器，重要的是轉(zhuǎn)換器工作在 PWM 模式下，在輕負(fù)載效率范圍之外，并且低于任何電流限制閾值。由于這些原因，負(fù)載瞬態(tài)從最大負(fù)載的 1/3 到 2/3 是合理的。

大多數(shù)電子負(fù)載不能產(chǎn)生非?？斓呢?fù)載階躍。對(duì)于這些情況，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的工具來生成快速加載步驟。下面的圖 11 顯示了一個(gè)可用于生成快速負(fù)載階躍的工具示例：它由一個(gè)由脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的 MOSFET 開關(guān)組成。MOSFET 將一個(gè)電阻器切換到轉(zhuǎn)換器輸出。另一個(gè)電阻器直接連接到輸出以設(shè)置靜態(tài)負(fù)載條件。

圖 11。

該工具可以創(chuàng)建非?？斓?dI/dt（上升時(shí)間約為 50 納秒），但這些速度會(huì)引起振鈴，這不是由于轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性而是由于降壓轉(zhuǎn)換器輸入振鈴。（電源線和陶瓷輸入帽、PCB 走線等）。將階躍負(fù)載上升時(shí)間增加到 ~ 500nsec 將減少這種影響。脈沖發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)速度決定了開關(guān)速度。為了減慢速度，可以在 MOSFET 柵極處增加一個(gè)電容來降低驅(qū)動(dòng)速度。作為額外的預(yù)防措施，可以在靠近 IC 的降壓輸入電容器上并聯(lián)一個(gè) 220μF 電解電容器，以抑制來自輸入側(cè)的任何振鈴。為避免動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻器的功耗過高，請(qǐng)將脈沖負(fù)載占空因數(shù)保持在較低的水平，約為 20% 或更低。

圖 12 顯示了典型的測(cè)量設(shè)置。

圖 12。

快速階躍響應(yīng)測(cè)量的一些示例如下所示：（基于RT7277 GSP 在 5V 和 1.8V 應(yīng)用中）

6. 進(jìn)行非常快速的負(fù)載階躍測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)

在階躍負(fù)載上升沿會(huì)有一個(gè)輸出電壓下降效應(yīng)，其中下沖主要由轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到的最大占空比決定。

在快速負(fù)載階躍下降沿期間，將出現(xiàn)輸出飆升效應(yīng)，其中輸出可能會(huì)出現(xiàn)一些過沖，因?yàn)殡姼须娏鞑荒茏銐蚩斓叵陆挡檩敵鲭娙萜鞒潆姟?br />
輸出飆升主要由負(fù)載階躍幅度、電感值和輸出電容決定，因?yàn)?ACOT 轉(zhuǎn)換器將暫時(shí)進(jìn)入 0% 占空比模式。飆升效應(yīng)在低輸出電壓電源中尤為明顯，其中電感電流 dI/dt 由于 Vo/L 較低而較低。這些影響不應(yīng)被誤認(rèn)為是不穩(wěn)定。

七、總結(jié)

ACOT 轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)內(nèi)部紋波發(fā)生器，使其適合與非常低 ESR 的輸出電容器一起使用。因此，ACOT 轉(zhuǎn)換器將在廣泛的應(yīng)用和操作條件下保持穩(wěn)定。在某些應(yīng)用中（尤其是更高輸出電壓的應(yīng)用），ACOT 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)表現(xiàn)出欠阻尼響應(yīng)。通過添加前饋電容器，可以增加系統(tǒng)阻尼，以實(shí)現(xiàn)良好的阻尼響應(yīng)。

為了確定前饋電容的最佳值，可以使用一種設(shè)計(jì)工具來計(jì)算任何應(yīng)用所需的前饋電容。設(shè)計(jì)工具還將計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，可用于判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對(duì)于實(shí)際的穩(wěn)定性測(cè)量，建議使用快速負(fù)載階躍進(jìn)行時(shí)域測(cè)量。在這些階躍負(fù)載測(cè)量中，可以通過觀察負(fù)載階躍期間的輸出電壓波動(dòng)來判斷穩(wěn)定性。在快速負(fù)載階躍期間，阻尼良好的系統(tǒng)將在輸出電壓中顯示最小的振鈴。

將傳統(tǒng)的開環(huán)相位裕度測(cè)量應(yīng)用于 ACOT 降壓轉(zhuǎn)換器可能會(huì)顯示出誤導(dǎo)性的結(jié)果，因?yàn)?ACOT 轉(zhuǎn)換器是非線性遲滯拓?fù)淇刂葡到y(tǒng)，并且來自輸出的反饋信號(hào)不像電流模式轉(zhuǎn)換器那樣是線性變化的信號(hào)，而是動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)。改變滯后控制機(jī)制的調(diào)制信號(hào)。因此，不推薦使用傳統(tǒng)的開環(huán)相位裕度測(cè)量來分析 ACOT 轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，因?yàn)榛谶@些測(cè)量得出的結(jié)論可能并不準(zhǔn)確。