做电源的人大概都遇到过这样一幕:照着手册把一颗标称 20 A 的 DC-DC 外围抄完,负载从 2 A 跳到 12 A,输出电压直接掉下去七八十毫伏,还要来回荡上三四个周期才收回稳态。换另一颗外围几乎一样、只是控制方式不同的芯片,同样的负载阶跃只掉了三十几毫伏,一两个周期就回来了。差别很多时候不在电感、不在电容,而在控制环路是怎么决策的。这篇文章要讲清楚的 COT(Constant On-Time,恒定导通时间)控制,就是近几年在中低压大电流 POL 上被大量采用的一类方案。
先把范围说清楚。这是 DCDC 控制方式系列的第一篇,只讲 COT 的基本原理:它到底"恒定"了什么、环路里有什么、为什么响应快、纹波为什么是它的命门、开关频率为什么会飘、什么时候不该用它。适合两类人看:一类是刚接触开关电源、被"补偿网络"劝退过的;另一类是长期用电压模或者峰值电流模,瞬态指标一直卡在输出电容上、想换个思路的。系列后续会展开多相 COT 的均流、COT 在升压和双向变换器里的变形、以及具体芯片的调试实录。
1. COT 到底"恒定"了什么:先把这个名字里的坑填了
1.1 恒定的只有上管导通时间,关断时间是自由的
"COT"这三个字母里唯一确定的信息是:每一个开关周期里,上管(主开关)导通的时间是固定的,这个时间由芯片内部的定时器决定,常见在 100 ns 到 1 µs 之间,有的芯片可以外接电阻或者通过 RT 引脚设定。除此之外,什么都不固定。
具体说,上管导通 Ton 之后关断、下管(同步整流管)导通,然后进入"等待"。什么时候再开上管?等反馈电压掉到参考电压以下。所以关断时间 Toff 不是算出来的,是被输出电容上的电压"逼"出来的:负载重,输出掉得快,等待时间就短;负载轻,输出掉得慢,等待时间就长。开关频率因此是变量——这正是很多从 PWM 转过来的人第一个被绊倒的地方,他们会下意识地拿手册标的 500 kHz 去算电感纹波,结果不同输入电压下测出来的频率差了百分之三四十。
1.2 用"水龙头"理解 COT:它为什么不看占空比
我习惯用这样一个类比给人讲 COT:水位(输出电压)要保持在一个刻度上,你不是通过调节水龙头的开度(占空比)来维持,而是每次只把水龙头拧开固定的一段时间,然后关掉,盯着水位看;水位掉到线以下,就再拧开固定的一段时间。结果就是——
- 用水的人多(负载重),水位掉得快,单位时间里就要拧开更多次,也就是频率高;
- 用水的人少(负载轻),拧开的次数自然减少,频率低,甚至很久才开一次,这天然就进入了轻载降频的省电状态,不需要芯片再额外做 PFM/PWM 的模式切换。
传统固定频率 PWM 的逻辑是:先测误差、经误差放大器放大、再和三角波比较,算出这一周期应该开多久。COT 的逻辑完全不同——它不做"计算",只做"判断"。判断的边界由比较器给出,所以它本质上是一类滞环控制(bang-bang 控制),有人也叫它纹波控制。这个"判断而非计算"的性质,是它所有优点和所有麻烦的源头。
2. 一个比较器撑起的控制环路:COT 内部到底有什么
2.1 从反馈分压到 one-shot:COT 的完整动作序列
把一颗典型 COT 降压芯片的内部结构摊开,主要就是这几样:反馈分压电阻、比较器(带一点迟滞)、导通定时器(one-shot)、上下管驱动、上管和下管、外部的电感和输出电容。有些型号会再加进输入电压前馈、谷值限流比较器、零电流检测、软启动电流源,但核心环路就是前面那五样。
一个完整周期的动作顺序是这样的:
- 上管导通,SW 节点电压跳到 Vin,电感电流按 (Vin − Vout)/L 的斜率上升,输出电容充电,输出电压往上走;
- Ton 计时结束(由内部电流源给电容充电到阈值,或者由振荡器分频得到),上管关断、下管导通,进入死区后的续流阶段;电感电流按 −Vout/L 的斜率下降;
- 在等待阶段,比较器一直盯着 FB 引脚。FB 电压由输出经分压得到,同时还叠加了一部分人为注入的纹波;
- 当 FB 掉到参考电压(实际是参考电压加上迟滞的负边)以下,比较器翻转,立刻触发一次 one-shot,回到第 1 步。
注意第 4 步里的用词——"立刻"。从 FB 跌破阈值到上管栅极拉高,中间只有比较器延迟加上驱动器的传播延迟,通常是几十纳秒量级。这个"不隔夜"的响应速度,就是 COT 在负载阶跃上表现突出的根本原因。
2.2 没有误差放大器,就没有补偿网络,也没有斜坡补偿
COT 环里找不到的东西,比找得到的东西更值得说。
没有误差放大器。因为不需要。误差放大器的作用是把缓慢的电压偏差积分起来、变成一个连续的占空比指令,它天生带宽有限,瞬态来了要"反应一会儿"。COT 干脆不要这个环节,让电压偏差直接去触发开关。
没有 Type-II / Type-III 补偿网络。设计工作的重心从"算零极点"变成了"算纹波",这个后面第三章展开。
没有斜坡补偿。那是峰值电流模用来压制占空比大于 50% 时次谐波振荡的,COT 不吃这碗饭。
这些"没有"带来的直接好处是:外围电阻电容少一圈,调试周期短;坏处是你能调的旋钮变少了——环路带宽、相位裕度这些传统指标在 COT 里没有直接的对应物,稳定性被压缩成了"纹波幅值和相位"这一个问题。很多用惯了电流模的人第一次调 COT 会很不适应,因为它没法用环路分析仪扫波特图。
2.3 稳态频率公式的推导:fsw 为什么跟着 Vin 跑
我们把频率关系推一遍,这个式子后面会反复用到。稳态下电感电压在一个周期内的平均值为零,也就是伏秒平衡:
- 导通期间电感承受正向电压 (Vin − Vout),持续 Ton;
- 关断期间电感承受反向电压 Vout,持续 Toff。
所以 (Vin − Vout) × Ton = Vout × Toff,整理得到:
Toff = Ton × (Vin − Vout) / Vout
一个完整周期 T = Ton + Toff = Ton × Vin / Vout,于是:
fsw = 1 / T = Vout / (Vin × Ton)
代入一组实际数字感受一下。Ton 固定 200 ns,Vin = 12 V,Vout = 1.2 V,则 fsw = 1.2 / (12 × 200 ns) =500 kHz。如果换成 19 V 的适配器输入,fsw = 1.2 / (19 × 200 ns) ≈316 kHz,掉了三成多。再看占空比:D = Vout / Vin = 10%,也就是说开关管每周期只开 200 ns,剩下 1.8 µs 都在等。
| 变化的量 | 对 fsw 的影响 | 直观解释 |
|---|---|---|
| Vin 升高 | fsw 升高 | 同样 Ton 内电感冲的电流更多,输出更快到达触发点 |
| Vout 升高 | fsw 升高 | 关断期间电感放电更慢,Toff 变短 |
| 负载变重 | fsw 升高 | 输出掉得快,等待时间变短 |
| Ton 设定变长 | fsw 降低 | 分子不变、分母变大 |
这张表解释了 COT 应用中的一大类诡异现象:同一块板子,实验室用稳压源 12 V 测出来 480 kHz、很干净,客户现场用 19 V 适配器测出来 320 kHz,还抱怨有噪声。频率不是芯片坏了,是公式决定的。
3. 纹波是 COT 的燃料:全陶瓷输出为什么会翻车
3.1 同相纹波与滞后纹波:比较器真正在意的东西
FB 引脚的电压并不是纯直流的,上面叠了两个来源的纹波,它们的相位完全不同,这是理解 COT 稳定性的关键。
来源一:输出电容 ESR 上的纹波。电阻是瞬时元件,电感纹波电流流过 ESR 立刻产生压降,所以这部分纹波与电感电流同相。电感电流上升时它跟着上升,是"实时"的。
来源二:输出电容容值上的纹波。电荷的积累与释放需要一个过程,这部分纹波是电感电流的积分,所以滞后 90 度。而且它的幅值随容值增大而减小。
比较器要能稳定地工作,需要看到的是一个与电感电流同相、幅值足够大的三角波——因为只有这样,FB 跌破阈值这个事件才唯一对应"电感电流已经下降到某个谷值",环路的每一次触发才有确定的时间意义。如果 FB 上占主导的是滞后 90 度的容性纹波,比较器的触发点就被噪声和相位拖着走,会出现脉冲成组(pulse grouping)、频率忽高忽低,严重时直接是次谐波振荡。
现在算一笔账,看看全陶瓷输出为什么会出问题。取一组很典型的中压大电流参数:Vin = 12 V,Vout = 1.2 V,fsw ≈ 500 kHz,Ton = 200 ns,L = 1 µH,输出只用 47 µF 陶瓷电容。
- 电感纹波电流 ΔIL = (Vin − Vout) × Ton / L = 10.8 × 200 ns / 1 µH ≈2.2 A;
- 容性纹波 ΔVc ≈ ΔIL / (8 × fsw × C) = 2.2 / (8 × 500 k × 47 µF) ≈11.7 mV;
- ESR 纹波(MLCC 的 ESR 按 2 mΩ 估)ΔVesr ≈ 2.2 × 2 mΩ ≈4.4 mV。
结果是滞后 90 度的容性纹波是同相分量的两倍半还多。这也解释了为什么早年用钽电容、电解电容的板子反而"随便焊都能稳"——那会儿 ESR 动辄几十上百毫欧,同相纹波压倒性主导。陶瓷电容把 ESR 打到毫欧级,稳定性就被推到了悬崖边。所以 COT 芯片边上的纹波注入电路不是可选项,是必需品。
3.2 纹波注入的两条路线与选型逻辑
工程上补纹波有两条主流路线,选哪条看你要不要顺带做别的功能。
路线一:从 SW 节点直接注入到 FB。一个电阻 Rr 串一个隔直电容 Cr,从 SW 接到 FB。SW 节点的方波经这个 RC 网络被"斜变"成一个三角波,叠加在 FB 的直流分量上。它的相位与 SW 同相,也就与电感电流同相,正好补上了缺的那一块。注意必须串隔直电容,不串的话 SW 的直流分量会直接把 FB 的直流工作点拉偏,输出精度就没了。
路线二:跨接在电感两端的 Rf-Cf 网络。电阻 Rf 和电容 Cf 串起来并在电感两端,中点经一个隔离电阻接到 FB。这个网络同时感知了电感的 DCR 和纹波电流,得到的信息更接近真实的电感电流,可以顺带实现限流和 AVP(自适应电压定位)。代价是 DCR 随温度变化(铜的温漂大约每摄氏度 0.4%,125 ℃ 时可以差出 25% 到 35%),所以电流信息的精度不如专用检流电阻。
| 对比项 | SW 节点 RC 注入 | 跨电感 Rf-Cf 网络 |
|---|---|---|
| 相位正确性 | 好,与电感电流同相 | 好,且带真实电流信息 |
| 能否做限流/AVP | 不能 | 可以,这是它的主要卖点 |
| 温漂敏感性 | 低,只与 RC 有关 | 高,DCR 温漂直接影响 |
| 布局难度 | 低,Rr/Cr 贴芯片即可 | 中,电感两端都要引线 |
| 额外损耗 | 几乎为零 | 有,注入网络的电流损耗 |
3.3 注入量给多给少的两种翻车方式
注入不够的症状很好认:空载或轻载时用示波器看 SW 波形,会发现开关脉冲时密时疏、几个脉冲挤在一起然后停一段;或者频率随机跳动,耳朵能听到"沙沙"声。这时候加大注入量,波形立刻就干净了。
注入过量就隐蔽得多,也更容易被误判成"布局问题"。因为它把人为的三角波抬到了 FB 上,而这个纹波会通过环路反映到输出上:轻载(也就是低频)时输出纹波明显变大,AVP 的下垂曲线被破坏,负载阶跃时因为比较器阈值被纹波推着动,过冲反而变差。更讨厌的是,注入网络的电阻一般是几十千欧的高阻节点,很容易把 SW 的高 dv/dt 噪声通过 Cr 耦合进来,形成误触发,表现为频率突然跳一下。
我自己的起步参数是这样定的:Rr 从 10 kΩ 到 100 kΩ 之间取,Cr 从 100 pF 到 2.2 nF 之间取,先让 Rr × Cr 落在开关周期的 1 到 3 倍这个量级——太小了 RC 直接把 SW 的边沿当尖峰传过来,太大了斜率平坦、幅值不够。目标是在 FB 引脚上量到峰峰值 20 mV 到 30 mV 的干净三角波。具体怎么调?用示波器 AC 耦合、20 MHz 带宽限制,把探头挂到 FB 和分压中点之间(或者直接用芯片的 FB 引脚),Cr 从 470 pF 起步往上加,一边加一边看:三角波斜率干净、幅值达标就停手,出现尖刺毛刺就往回退。
注意:FB 是典型的高阻节点,10× 无源探头大约有 10 MΩ 并联 10 pF 的负载,挂上去本身就会改变纹波幅值。调注入参数时建议用低电容探头,或者至少记住"探针挂上和不挂上读数不一样"这件事,别为了凑够 20 mV 一路加电容加到过量。
4. 自适应导通时间与频率那点事
4.1 ACOT 是怎么把 fsw 拉回来的
第 2.3 节的公式摆在那里,固定 Ton 的 COT 在宽输入范围下频率会大幅漂移,这在实际项目里很难接受——你按 12 V 选的电感,到 19 V 时纹波电流变小、频率也变了,EMI 滤波器的截止频率也会跟着失配。
解决办法是让 Ton 不再固定,而是跟着工作条件走。推导很简单,把目标定成 fsw 恒定:
由 fsw = Vout / (Vin × Ton) 可知,只要令 Ton ∝ Vout / Vin,fsw 就等于一个常数。
实现方式是把输入电压和输出电压都引到定时器的充电电流上。最基础的一档只引 Vin:Vin 越高,给定时电容充电的电流越大,Ton 越短。这样 fsw = Vout / K,仍然随 Vout 变化,但至少在输入侧稳住了。再进一步,把 Vout 也引进来做第二级前馈,fsw 就基本钉死在一个设定值上。各家厂商对这类方案的叫法五花八门,与其记名字,不如直接去手册里找"Ton 是怎么生成的"这一段,看清楚它前馈了几个量。
前馈还有个附带好处容易被忽略:线性瞬态响应。输入电压突然跳一下,Ton 立刻就变,占空比不需要等反馈环路反应过来就已经调整好了。这是反馈型控制做不到的。
4.2 频率抖动、展频与同步:好处和代价
即使做了自适应,COT 的频率也不会像固定频率 PWM 那样干净。原因是每一次关断的结束时刻,都是由"纹波 + 噪声"共同触发的,本质上带有随机性。有人把这种天然抖动当"免费展频"用,用来压低 EMI 的窄带峰值。这话对一半。
好处是 EMI 接收机的准峰值读数确实会好看一些,因为没有一条持续钉在某个频点上的强线。
代价有三个:一是频谱被"涂开"了,如果系统里恰好有音频采样、ADC 采样或者窄带接收电路,反而更容易被扫到;二是多路电源放在同一块板上(比如一个 SoC 的五路供电)时,各自频率都在漂,很容易互相拍频,落在音频段就是"吱吱"声;三是没法用外部时钟去同步,除非芯片专门带 SYNC 或者 PLL 引脚,而一旦启用强制同步,一部分瞬态优势就交回去了——因为同步意味着频率被人为钉住,关断时间不再自由。
这里有一条我踩过坑的经验:数据手册标的开关频率永远是"某一个特定工况下"的标称值。测试报告里如果不写 Vin、Vout、负载电流和温度,两个人测出来的数就对不上,会白白扯皮半天。我现在的习惯是在测试记录表里固定三组工况(最低输入满载、标称输入半载、最高输入轻载),每组都记 fsw、输出纹波、效率,这样频率漂移是设计特性还是异常一眼可辨。
| 工况 | Vin | 负载 | 预期 fsw 变化趋势 |
|---|---|---|---|
| 最低输入、满载 | 9 V | 100% | 最低(分母最小) |
| 标称输入、半载 | 12 V | 50% | 居中 |
| 最高输入、轻载 | 19 V | 10% | 视前馈方案而定,自适应后应基本持平 |
5. 拿 COT 做设计:选型、电感、电容与 Boot 电阻
5.1 最小导通时间决定你能降多少压
COT 芯片选型第一个要卡死的参数不是电流,是最小导通时间 Tmin。因为 Ton 是固定的(或按前馈设定),降压比越大,Ton 越短:Ton = Vout / (Vin × fsw)。12 V 降到 0.9 V、fsw 500 kHz 时,Ton = 0.9 / (12 × 500 k) =150 ns。
150 ns 听起来还有余量,但要注意这段时间里要装下比较器延迟、驱动器传播延迟、上管栅极的上升时间。上管从关断到完全开通往往要吃掉二三十纳秒,如果 Ton 只有 100 ns,实际的有效导通时间就被压缩得很厉害,结果是占空比失控、输出掉压、或者上管在没完全开通的状态下就被关掉,开关损耗急剧上升、发热。所以选型时留出的余量应该是"Tmin 至少比计算需求小一半以上",而不是刚好够。
两头都有边界:占空比很低时受 Tmin 限制,占空比很高(Vin 接近 Vout)时受最小关断时间限制。后者在高占空比应用里会表现为频率突然往下掉、甚至出现丢周期,因为下管还没导通够就必须再开上管了。
5.2 电感纹波、输出电容与 AVP 的连带关系
电感的选法和电流模差不多,纹波电流 ΔIL 一般取输出电流的 20% 到 40%,在 COT 里我倾向取偏大一点(30% 到 40%),因为响应快、不怕,而且大纹波电流能提供更大的同相纹波,对稳定性有利。但要注意,电感一旦放大,ΔIL 变小,FB 上的纹波也跟着变小,反而可能需要补更多注入——这两个参数是耦合的,不能独立调。
回到前面那组参数:Vin = 12 V,Vout = 1.2 V,Ton = 200 ns,L = 1 µH,ΔIL ≈ 2.2 A,如果输出电流是 10 A,纹波率就是 22%,属于舒服的区间;如果电感换成 2.2 µH,ΔIL 降到 1 A,纹波率 10%,看起来"更干净",但 FB 上的同相纹波也砍掉一半,注入网络就得重新算。
输出电容:COT 的最大卖点就是瞬态响应快,这直接换算成电容用量——同规格下,COT 方案需要的输出电容量通常比传统电流模少三到五成,因为负载一跳,比较器在一个周期内就动作了,不需要等环路带宽把误差攒起来。但反过来说,COT 对电容的类型很挑:必须是超低 ESR 的陶瓷,并且一定要配注入网络。这个组合的隐含约束是,你不能靠"多堆电解电容"来解决问题,那只会让 ESR 主导纹波、把稳定性问题掩盖成更复杂的问题。
**AVP(自适应电压定位)**值得单独提一句,它是 COT 方案里少见的"多用一点设计换省一大笔电容"的手段:让输出电压在满载时略低、空载时略高,把负载阶跃的能量摊到整个允许的电压窗口里,瞬态峰值自然就压下来了。实现方式通常是让反馈网络"看到"电感 DCR 上的压降(这也是为什么很多 COT 控制器偏爱跨电感的 Rf-Cf 网络)。用之前要先确认系统能不能接受直流精度变差——CPU、FPGA 的核心供电一般没问题,因为它们的负载线本来就是这么规定的;但如果你后面挂的是精密模拟负载,那就不合适。
5.3 Boot 引脚串电阻:为什么没有精确公式
自举(BST/Boot)电阻是 COT 电路里最容易被随手乱填的一个元件,也是我见过最多"抄别人的值"的地方。它的位置在上管的驱动自举回路上,串联在自举二极管或者自举电容的充电路径里,作用是限制自举电容的充电峰值电流、减慢上管的开通速度、压住 SW 节点的振铃和 EMI。
取值区间通常在 1 Ω 到 10 Ω。为什么说"没有精确公式"?因为它本质上是在两个相互矛盾的指标之间做折中:
- 阻值取大:上管开通变慢,SW 振铃和 EMI 明显改善,但开关损耗上升、Ton 的前沿变得模糊。在低占空比(Ton 只有一百多纳秒)的应用里,驱动变慢会直接吃掉有效导通时间,严重时上管还没完全开通就被关断了,发热异常;
- 阻值取小:开关速度快、效率高,但 SW 节点在死区结束后的振铃幅度上去了,辐射和传导骚扰都变差。
能算出来的只有量级:自举电容两端差压按 5 V 估、电阻取 4.7 Ω,充电峰值电流大约 1 A,先确认这个电流在驱动器能力范围内;剩下的就得靠实测。我的做法是固定测两个波形——SW 节点在死区后的振铃峰峰值,以及上管 Vgs 的上升时间——从 2.2 Ω 起往上加,直到振铃被压到可接受、同时 Vgs 上升时间还没超过 Ton 的十分之一。这个"十分之一"是我给自己定的安全线,不是标准,但它帮我避免了好几次低占空比下的驱动不足事故。
布局上的几条硬规矩,COT 比电流模更敏感,因为它没有误差放大器来稀释噪声:
- FB 分压电阻、注入网络(Rr/Cr 或 Rf/Cf)必须紧贴芯片引脚,走线越短越好;
- FB 走线要远离 SW 节点、电感和自举电容,优先走内层,两侧用地平面夹住;
- 采样点从输出电容两端取,不要从负载端"遥测",否则会把走线电感引入的尖峰带进反馈;
- 输入陶瓷电容紧贴芯片的 PVIN 和 PGND,把输入回路面积压到最小;
- SW 铜皮面积适中——大了散热好但辐射大,小了 EMI 好但管子热;
- 电感的投影区域下面绝对不要走 FB 或者分压电阻,这是最典型的误触发来源。
6. 实测与排错:示波器上先看哪个波形
6.1 四个必测波形的正确测法
调 COT 电路,我会按固定顺序看四个波形,顺序不能乱。
第一个是 SW 节点。用短地线弹簧环,直接量芯片引脚处的方波。看三件事:频率、死区是否正常、振铃幅度。频率要结合第 2.3 节的公式核对,别忘了记录工况。
第二个是 FB 引脚。这一个是很多人的盲区,但它是判断 COT 稳不稳最直接的证据。AC 耦合、20 MHz 带宽限制,看三件事:斜率是否与 SW 同相(不是滞后就是对的)、峰峰值有没有到 20 mV 以上、上面有没有尖刺毛刺。三个里任何一个不满足,先别去动电感电容,回去调注入网络。
第三个是输出纹波。同样用弹簧地环,量输出电容两端,AC 耦合加 20 MHz 带宽限制。重点提醒:长地线会形成一个大环路天线,你量的其实是 SW 节点耦合过来的中场,不是输出纹波。很多人报告"输出纹波 80 mV",换掉探头地线之后变成 8 mV,差别全在测法上。
第四个是负载瞬态。电子负载的电流摆率要设到接近实际负载的水平(CPU 这类负载动辄 1 A/µs 甚至更高),摆率设低了测出来的过冲会明显偏小,自欺欺人。波形上要分清两段:跌落深度(由输出电容和响应延迟决定)和恢复过程(由环路是否稳定决定)。如果恢复段有周期性振荡,通常是注入过量或者布局耦合,回去看第二个波形。
6.2 常见异常波形对照表
| 现象 | 最可能的原因 | 先查什么 | 处理方向 |
|---|---|---|---|
| 脉冲时密时疏、成组出现 | FB 同相纹波不足,比较器被噪声带偏 | FB 引脚波形幅值和相位 | 加大注入量,或换注入路线 |
| 频率随机跳变、有沙沙声 | 注入过量或 FB 耦合进 SW 噪声 | FB 上有没有尖刺 | 减少 Cr,改 FB 布局走内层 |
| 满载正常、轻载出现音频啸叫 | 频率掉进音频段,或多路电源拍频 | 轻载 fsw 与相邻电源频率 | 启用轻载模式或同步/展频设置 |
| 负载阶跃恢复段振荡 | 注入过量、输出电容 ESR 过低、相位裕度不足 | FB 波形与负载瞬态对照 | 调注入,适度增加容量而非堆 ESR |
| 输出纹波里叠高频尖峰 | 多半是探针地线环路引入的假信号 | 换弹簧地环重测 | 测法问题,不是电路问题 |
| 上管温升异常、效率偏低 | Boot 电阻过大或 Ton 太短导致驱动不足 | 上管 Vgs 上升时间、最小 Ton 需求 | 减小 Boot 电阻,校核 Tmin |
| 限流点随温度漂移 | 谷值限流基于下管 Rds(on),温漂可到三成以上 | 冷热态限流实测对比 | 留足余量或换检流方式 |
7. COT 的适用边界与它和 LDO 的分工
7.1 该选 COT 的场合与不该选 COT 的场合
该选 COT 的典型场景:负载阶跃又快又大(CPU、FPGA、DDR、SerDes 这类数字核供电);降压比大、输入范围宽;希望外围极简、不想做补偿设计;以及大电流多相并联——多相 COT 在实践中非常常见,因为每相自带比较器和定时器,天然容易扩展,不需要在相间做复杂的补偿分配。
不该选 COT 的场合,我总结成五条:
- 对频率和 EMI 有严格要求、且不允许抖动的。比如要通过特别严苛的认证、或者系统里窄带接收电路就在附近,COT 的天然抖动是减分项。
- 极低噪声的模拟供电。COT 的输出纹波比同规格电流模大,而且纹波幅值随负载变化,不适合直接给高精度 ADC、PLL 供电。
- 需要精确限流或者恒流输出。谷值限流的精度受 Rds(on) 温漂和比较器延迟影响,做充电器、LED 驱动这类恒流应用会很吃力。
- 占空比极端的情况。低压差(Vin 接近 Vout)受最小关断时间限制,超大降压比受最小导通时间限制,两头都不舒服。
- 需要灵活定制环路带宽的场景。COT 没有补偿网络,你能调的只有注入和输出电容,遇到特殊需求时能动的旋钮太少。
7.2 与 LDO、升压及双向变换器的配合思路
DCDC 和 LDO 不是二选一,而是经常串联使用。开关电源效率高(理想情况下效率约等于 Vout/Vin 的主项损耗之外,实际还有开关损耗和驱动损耗),但输出有开关纹波;LDO 纹波几乎为零、PSRR 好,但效率就是 Vout/Vin 这个简单的线性关系,压差大时全变成热。所以常见的组合是:前面用 COT 降压把 12 V 打到 1.5 V 左右,后面跟一颗 LDO 再到 1.2 V,把纹波和开关噪声滤掉。这里有个容易被忽略的前提——LDO 的 PSRR 是随频率下降的,在开关频率处往往已经掉了几十 dB。如果你前面的 COT 输出纹波太大,LDO 在后级根本压不住。所以做这个组合的时候,前面那颗 COT 的纹波指标要卡得比平时更紧。
升压和双向变换器里也有 COT 的变形。COT 升压的控制思路一致,但纹波注入的取样点和相位关系要重新处理,不能照抄降压的电路,这个系列后面会单独开一篇讲。至于双向 DC-DC,在储能和电池到母线这类结构里,COT 一般用在一侧的功率通道上——比如放电的降压方向,利用它的瞬态优势去扛母线上的负载跳变;反方向的充电通道用另一套控制,两套逻辑的切换点和缓启动要单独设计,否则切换瞬间会看到明显的电压台阶。
最后说一点我自己的体会。刚开始接触 COT 的时候,我总想着"找一个公式把环路算明白",试了很多次才发现这条路走不通——COT 的设计闭环其实是"用示波器看 FB 波形去调注入",公式只负责给你一个不错的起点。所以每次新板子回来,我第一件事不是上电测效率,而是把探头挂到 FB 上看那个三角波长得正不正。这个波形对了,后面的事情基本都顺;这个波形不对,再贵的电感和电容也救不回来。