DC/DCコンバータにおけるコンスタントオンタイム (COT) 制御の利点

図3: 内部PWMクロック周期が出力アンダーシュートに及ぼす影響

COTアーキテクチャにより、制御構造は従来の電圧 / 電流モード制御に比べて非常にシンプルです。COTを採用する場合、出力電圧は帰還抵抗を介して検出されます (図4参照)。 出力リップル電圧の谷がリファレンス電圧と直接比較され、固定オン時間パルスが生成され、ハイサイドMOSFETがオンになります。オンタイムパルスが時間切れになると、ハイサイドMOSFETはオフになります (ローサイドがオンになります)。

図4: コンスタントオンタイムDC/DCアーキテクチャ

COTアーキテクチャは、電圧または電流モードのDC/DC制御に従来の補償ネットワークを必要としません。これにより、必要な部品数が減り、補償値のチューニングに時間を費やす必要がなくなるため、コンバータの設計が容易になります。信頼性の高いCOT動作のためには、フィードバックノードの出力電圧ランプがジッタのない動作に十分な大きさであることが必要です。これを確実に行うには、フィードバック入力のランダムなシステムノイズよりもランプを大きくする必要があります。

出力コンデンサに十分な等価直列抵抗 (ESR) がある場合、このESRによって生じるフィードバックランプ電圧が、インダクタの小さい方の直列抵抗を支配します。この場合は、単純な抵抗分割器ネットワークで十分です (図5参照)。 これは通常、電解コンデンサまたはPOSCAPコンデンサに使用されます。

図5: COTフィードバック入力ランプ電圧は出力コンデンサESRから導出されます

 

図6: インダクタのランプジェネレータ回路から得られるCOTフィードバック入力ランプ電圧

低ESRのセラミックコンデンサが望ましい場合は、追加の「ランプジェネレータ」回路を使用して、必要なフィードバックランプ電圧を生成できます (図6参照)。

注意すべき重要な点は、フィードバック電圧がコンスタントオン時間制御ブロックを駆動するコンパレータに直接供給されることです。過渡応答時間に影響する遅延を引き起こす可能性のあるエラーアンプ・ブロックや内部固定周波数クロックはありません。

COT制御アーキテクチャでは、固定周波数のクロックを使用するのではなく、リファレンス・コンパレータ出力を使用して固定オン時間のパルス発生器をトリガーします。パルスが発生する周波数は、出力負荷電流によって決まります。出力電流が安定した連続導通モードでは、COT制御はほぼ固定された周波数で動作します。ただし、より多くの電流を必要とする負荷ステップ過渡時には、COTパルス発生ブロックは出力アンダーシュートを最小限に抑えるために高いパルスレートを出力します。通常の出力電圧に達すると、安定した安定化出力電圧を維持するために必要なレベルまでパルスレートが低下します。

COT制御は、従来の電圧または電流モード制御に比べて最大2倍の過渡応答時間を実現しています。アンダーシュートを低くすると、負荷電圧の公差仕様を満たすことが容易になります。これはまた、COTベースのコンバータは、電圧または電流モードコンバータと比較して、所定の負荷過渡応答を満たすために必要な出力容量が小さく、スペースとコストを節約できることを意味します。

図7は、電流モード制御とCOT制御の比較を示しています。負荷電流の昇圧が同じであれば、COT制御の切り替えが速くなり、インダクタと出力電流のギャップが小さくなり、出力アンダーシュートがさらに減少します。

図7: 電流モード制御方式と比較した負荷ステップに対するCOT過渡応答

COT可変周波数制御アーキテクチャのもう1つの利点は、軽負荷時にはスイッチングパルスがさらに減少し、高効率が維持されることです。パルスは出力負荷が要求したときにのみ発行されるため、クロックが永続的にスイッチングされる電圧モードまたは電流モードアーキテクチャに比べて、内部スイッチング損失は最小限に抑えられます。つまり、COTベースのDC/DCコンバータは、軽負荷または無負荷条件下で非常に高い効率を発揮し、バッテリ駆動のデバイスや省電力モードの機器に最適な選択肢となります。

要約すると、COT制御は、そのより速い過渡応答、より高い効率、少ない部品点数と設計のしやすさによって、従来の電流および電圧モード制御手法に対する事実上のソリューションとなっています。