详解DC-DC主要控制模式

一路上

前言

利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容(感)里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量就是开关电源。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。

开关电源可以用于升压和降压，目前主流的控制模式有：Voltage Mode (VM)、Peak Current Mode、Voltage Feedforward Mode（VFM）、Hysteretic Control Mode、Constant On-Time with Emulated Ripple Mode (COT with ERM)等。

1、Voltage Mode (VM)

采样输出电压与参考电压比较后输出误差放大信号VE，VE与恒定的锯齿波比较后产生占空比控制，当PWM斜坡电压超过误差放大器输出电压时，PWM比较器复位锁存器，从而关闭高侧场效应管并打开低侧场效应管。在下一个振荡器脉冲放电PWM斜坡之前，低侧场效应晶体管一直处于工作状态。

适用场景：需要开关频率固定可知；输出大范围变化负载；输出纹波小一致性高。

对于FPWM 强制脉宽调制模式而言，轻载模式下效率低。

2、Peak Current Mode （PCM）

与VM不同的是误差放大信号uc与电感电流比较后产生驱动信号，峰值电流控制的最大优点是本身具备峰值限流保护的功能，不需要额外的过流保护电路，提高了可靠性。峰值电流控制的缺点主要是对电路噪声比较敏感。（在CCM模式下，占空比D>0.5时需要斜坡补偿才能稳定。斜坡补偿可以附加在Ve上，也可以附加在电感电流采样信号上，对于BUCK芯片已经内置补偿）。

适用场景：需要开关频率固定可知，外围电路简单，设计友好的场景。

3、Voltage Feedforward Mode（VFM）

电压前馈电压模式与PWM模式不同点在于，其斜坡是Vin通过谐波发生器产生，以恒定的斜坡幅度随输入电压改变PWM斜坡斜率，并对输入电压变化提供瞬时响应。PWM不需要等待回路延迟来改变占空比。

适用场景：需要开关频率固定可知，对Line transient response 要求高的场合。

4、Hysteretic Control Mode

这是最简单的控制方案。当反馈电压VFB大于参考高阈值时，PWM (SW)上管截至，当反馈电压小于参考低阈值时，上管导通。不需要补偿组件，没有电压电流控制模式中需要信号比较的时间延迟。PWM开关频率不受控制，随负载电流变化，在较轻的负载下提供更高的效率。由于VFB的纹波来自输出，从输出电容器的ESR输出需要一定的纹波，因此对输出噪声敏感。而且从上图右侧的波形可以看出，VFB反馈电压非得超过或小VOUT一段距离才能让开关管动作，且由外部的纹波决定！

适用场景：需要快速瞬态响应， 输出环境相对干净的场合，现在使用迟滞控制模式的DC-DC不多，在此基础上升级的COT模式更加普遍。

5、Constant On-Time with Emulated Ripple Mode  (COT with ERM)

与迟滞控制相比，他具有单一电压阈值水平，开通时间恒定，输入电压成比例。当反馈电压低于参考低阈值时，上管导通。通常需要用户采用小纹波注入的方式来控制。如上图，电感电流流过Rr、Cr产生小纹波，再通过Cac隔直取交，并将其注入FB给内部误差比较器与参考电压进行比较。该控制方式具有瞬态响应快、无需外部补偿的优点。

适用场景：需要快速瞬态响应，无外部补偿设计，轻载高效的场合。

此外，关于市面上例如D-CAP，D-CAP2，D-CAP3，DCS-Control等其实都是COT的变种。

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