COT制御の過去と現在
コンスタントオンタイム (COT) 制御は、電力管理業界で注目を集めており、コンピューティング分野でコアIC用電源に広く使用されています。人工知能の人気が高まるにつれ、COTの使用はさらに広範になります。
COT制御を導入する前に、電圧制御と電流制御の2つの他の制御方法を見てみましょう (図1を参照) 。これらの方法は、COT制御が普及する前に一般的に使用されていました。
図1: 電圧および電流制御
エラーアンプ (EA) は、電圧と電流の両方の制御に使用される部品です。図2に、EA回路図の例を示します。
図2: エラーアンプの回路図
図2は、EAが抵抗-コンデンサ (RC) 補償ネットワーク内でどのように動作するかを示しています。安定した回路の場合、各パラメータ (C1、R1、C2、R2、およびC3) を個別に設計する必要があり、これは面倒で時間がかかる可能性があります。上記の安定性の問題に加えて、多くの場合、過渡応答の問題もあります。
出力電圧が変化すると、エラーアンプのRCネットワークが出力電圧の変化を遅らせ、制御回路に反応して応答速度を低下させます。制御回路は、出力電圧の変化に対してフィードバックを受け取っても、すぐには応答しません。代わりに、設定されたクロック周波数で応答するため、過渡応答が遅くなります (図3を参照) 。
図3: 補償ネットワークでのEAの運用
過渡性能を改善するために、エラーアンプとRCネットワークのパラメータ (C1、R1、C2、R2、およびC3) を再設計する必要がある場合があります。これは、エンジニアが安定性と過渡応答のバランスをとる方法を決定する必要があることを意味します。
これらの問題を解決するために、エラーアンプをコンパレータに置き換えて補償の必要性をなくし、RC遅延もなくすことができます。同時に、クロックは、電圧制御オンタイムジェネレータを備えたクロック制御PWMジェネレータに置き換えることができます。これにより、クロック遅延がなくなります (図4を参照) 。このソリューションは、COT制御をもたらします。
図4: COT制御
図4は、コンスタントオンタイム (COT) 制御の最も基本的な例を示しています。基本的な原理は、FB電圧が基準電圧 (VREF) を下回ることです。これにより、COTパルスが生成され、上部チューブMOSFETの開口部が制御されます (図5を参照) 。
図5: 常時制御のパラメータ
ただし、COTパルスごとに入力電圧が異なる場合は、スイッチング周波数が変化する可能性があります。この問題を解決するために、定時制御は入力電圧を検出し、入力電圧が変化したときに一定のスイッチング周波数を実現します。同様に、COT制御は、出力電圧が異なる出力電圧に達すると、一定のスイッチング周波数を検出します。図6に、一般的に使用されるCOT制御の概略図を示します。
図6: 一般的なCOT制御回路図
ただし、出力が磁器コンデンサ (MLCC) を使用しているときにCOT制御を使用すると、不安定になる可能性があります (図7を参照) 。
図7: MLCCによって引き起こされる不安定性
この不安定性は、COT制御がFB電圧にインダクタ電流との相間リップルを持たせる必要があるために発生します。ポリマーまたは電解コンデンサでは等価直列抵抗 (ESR) が比較的大きいため、この位相リップルが存在し、システムは安定性を維持します。ただし、磁器コンデンサには、FBのリップル電圧と誘導電流が同じ位相であることを保証するのに十分なESRがありません。
MPSは、FBにRC補償回路を追加して、インダクタと同じ位相のリップルを生成することにより、この問題を解決しました (図8を参照) 。
図8: COT制御を備えたRC補償ネットワークの使用
RC補償回路を追加することで、磁器プレートコンデンサに安定した出力を提供します。NB638は、このソリューションを使用して安定性を維持します (図9を参照) 。NB679は、磁器コンデンサを備えた同様のデバイスですが、RC補償回路はありません。代わりに、NB679は内部でFB電圧に追加のランプ補償を生成します。
図9: NB638
磁器コンデンサの不安定性に加えて、COT制御を使用するエンジニアは、出力電圧調整率に関する別の問題に遭遇する可能性があります (図10を参照) 。デバイスはCOT制御モードを使用しているため、FB電圧リップルによって引き起こされる実際の出力電圧がVREFによって設定された目標出力容量を超えていることがわかります。リップル電圧が異なると出力電圧も異なるため、調整レートに問題がある可能性があります (図10を参照) 。
図10
この問題に対処するために、COT制御は遅いEAを導入することもできます。この遅いEAは、FBリップルによる高出力電圧によって引き起こされる問題を排除し、実際の出力電圧と設定電圧が一定に保たれることを保証します (図11を参照) 。
図11: 一定の出力と設定電圧
遅いEAのもう1つの利点は、急速に変化する過渡応答に影響を与えないことです。
COT制御は、高速過渡応答と単純なループ補償により、コア電力を供給する電源に最適です。時間の経過とともに、このコアはますます多くのデータを処理することが予想され、その結果、必要な電流がますます増えます。対応するCOT制御は、単相制御から単相多方向並列制御、多相多ループ制御へと徐々に発展してきました。
MPSのデジタルCOT制御は、多相、多ループ制御を実現できるだけでなく、相数構成、自動ループ補償、および設計を大幅に簡素化し、製品設計効率を向上させるその他の利点もサポートできます。その一例が、2018 Global Electronic Achievement Awardを受賞したMP2888Aです。MPS COT制御ソリューションの詳細については、MPSの製品ラインナップをご確認ください。
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