在恒定导通时间(COT)稳压器设计中控制输出纹波并获得ESR非相关性

　　介绍

在所有设计过的电压稳压器控制策略中，迟滞稳压器可能是最简单的。当输出电压低于设定电压时，这种控制方法简单地将开关开启，当输出电压上升至略高于设定电压时，开关关闭。输出纹波电压因此成为上下边界参考阈值电压之差－迟滞幅度的直接函数。很难想象还有更加简单的结构, 通常, 简单的结构会直接伴随着性能的下降。

迟滞结构的主要缺点是开关频率随着输出电压变化也会产生相当大的改变。改善该现象的方法称之为恒定导通时间控制(COT)，它在仅稍微增加复杂度的条件下能够提供极佳的频率控制性能。在信号路径中加入单触发定时器。单触发的周期是输入电压的反比例函数。导通时间的编程仅需要在输入电压Vin处添加一个电阻。 透过表面现象我们可以发现，它仍然是一个迟滞控制电路，而且它仍然需要在反馈引脚处施加一个纹波电压。该方案可以去除上边界阈值，取而代之的是可编程导通时间。但是下边界阈值仍然需要输出电压具有足够的纹波，从而能够从中辨别出输出下降的开启点。

遗憾的是，这里所得到的纹波分量会比通常预期的更大，如果都使用陶瓷输出电容，主开关产生的时序关系将会产生90度的相移。 下面介绍的精选电路可以解决这些问题，该电路在仅稍微增加电路复杂程度的情况下，不仅完全保证了ESR非相关性，同时还能产生极低的输出纹波。

图1为完整的LM5010A应用电路。该电路中使用的技巧同样也适用于美国国家半导体公司其它的恒定导通时间稳压器系列，包括LM5007、LM5008和LM5009, 以及至少在原理上采用纯迟滞设计的产品。 一些最新推出的器件例如LM3100则内部集成了这里所描述的方法，从而实现了ESR非相关性。 对以下电路进行配置，当输入电压范围在15V至75V之间时，在1.25A负载上产生10V标称输出电压。大多数的测试都采用30V输入电压。

请注意在图1中采用可编程电阻R3的导通定时模块。该电阻通过确定基于输入电压的导通时间来设定工作频率。调节比较器通过R1和R2组成的反馈分压器来观察输出电压。只要输出电容C6具有足够的ESR，在开关频率处表现出电阻性，该电路就可以正确地工作。具有大约1.5欧姆ESR的铝质电解电容完全可以胜任。

LM5010A对三角形输出纹波的底部电压进行稳压，在反馈分压器处所观察到2.5V的标称电压。 当输出电压Vout下降至反馈端FB低于该电平时，启动可编程导通时间，从而迫使输出电压提高，并使FB引脚电压稍高于2.5V。该过程循回往复。因此可编程导通时间可以控制开关频率和输出纹波。设定较长的导通时间会降低开关频率并增加输出纹波，反之亦然。如果将输出电容制作得非常大，会伴随着ESR的等比例降低，会有极少的以输出纹波形式出现的信号，由于反馈信号的低信噪比，电路将会变得对噪声相当敏感。 如果使用一个ESR非常低的陶瓷电容，也会产生类似的问题，这是由于较低的信号幅值以及得到的信息会产生90度的相移。

当采用22μF的陶瓷输出电容与1.5欧姆的电阻进行串联时，采集得到图2波形。 可以看出该电路提供了有限的以及控制良好的ESR。开关非常稳定，工作表现良好，但在10V输出时有峰峰值约为500mV的纹波。

在许多情况下，这会是大家乐于接受的一个结果，可认为该设计已经完成。但是如果为努力消除纹波而将1.5欧姆电阻去除之后会发生什么现象呢？

这时开关脉冲成束出现，而纹波信号看起来则像正弦信号。 纹波幅度被降到原先的一半，但以不能正常工作为代价。观察电路设计得到的第一个线索就是从何处开始这个改善过程。 注意到使用R1/R2分压器来为稳压器提供反馈并设定所需的输出电压。这里为稳压器指定的参考电压为2.5V，所以对应于10V输出存在4：1的分压器。该分压器可以衰减纹波电压以及直流电平，因此减少了提供给控制电路的可用交流信号。若通过在开关频率处相对于R1是低阻抗的电容来旁路分压器上偏置电阻R1，就可以明显改善交流信号，同时对直流信号的稳压不会产生任何影响。 设定关断频率大约为开关频率的1/10，这是一个良好的开端。当采用500kHz的开关频率时，对于RC回路而言, 意味着存在50kHz的截止频率，所以得到C＝1/2πRF。当R1为3kΩ时，计算电容值大约为1000pF。因为这么做将会给交流反馈信号带来4倍的增长，理论上我们能够将ESR值减少4倍，从而再次恢复正常工作。也可以解释为ESR值设定为375mΩ。修改后的电路如图3所示。

这时纹波下降至大约150mV峰峰值，开关频率与上例几乎相同。

当了解到设计好坏取决于滤波电容的ESR值时，也应当密切注意器件的正常工作会受到负载处附加电容的影响。 通