コンスタントオンタイム制御の過去と現在|MPSニュースレター

【MPS ニュースリリース】2020年8月 技術論文
CPUなど負荷の大電流化と変動の大きさからCOT制御がもつ、過渡応答性の優位性は明確です。優れたMPS社のCOT制御ですが、過去の方式には短所が存在しました。この技術論文では過去のCOT制御の短所と改善された新方式について説明しています。

イントロダクション

*本記事は2020年8月にMPS社ホームページに投稿された論文を基に翻訳、作成されました。

ワイヤレスPAシステムやCPUのコアなどでは、より低い動的リップルを獲得するためにエンジニアは、しばしばシステム電源の帯域幅と安定性のバランスを取る必要があります。
コンスタントオンタイム(COT)制御は電源管理業界で注目を集めており、コアIC用電源のコンピューティング分野で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囲となるでしょう。

電圧制御と電流制御

COT制御を紹介する前に電圧制御と電流制御、他の2つ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.:電圧制御と電流制御

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構成部品です。 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。 安定した回路のためには各パラメータ(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変化に遅延を生じさせ、次に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変化のフィードバックを受けても、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動作

過渡性能を改善するためにはエラーアンプと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かもしれません。これはエンジニアが、どのように安定性と過渡応答のバランスをとるかを決定する必要があることを意味します。

コンスタントオンタイム制御

これらの問題を解決するためには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排除し、RC遅延も排除します。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発振器に置き換えることができ、クロック遅延がなくなります(図4を参照)。 この解決策はコンスタントオンタイム(COT)制御を実現します。

図4.:コンスタントオンタイム制御

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MOSFETの開口が制御されます(図5を参照)。

図5.:コンスタントオンタイム制御のパラメータ

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コンスタントオンタイム制御で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制御の回路図を示します。

図6.:コンスタントオンタイム制御のパラメータ

しかしながら、出力に積層セラミックコンデンサ(MLCC)を使用しているときにCOT制御を利用すると、不安定になる可能性があります(図7を参照)。

図7.:MLCC原因の不安定性

この不安定性はCOT制御がFB電圧にインダクタ電流との位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、積層セラミックコンデンサにはFBのリップル電圧とインダクタの電流が同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制御でのRC補償ネットワーク使用

RC補償回路を追加することで積層セラミックコンデンサに安定した出力を供給します。 NB638チップは、この解決策を使用して安定性を維持します(図9を参照)。 NB679は積層セラミックコンデンサには類似したデバイスですが、RC補償回路はありません。 代わりにNB679は内部でFB電圧に追加ランプ補償を生成します。

図9.:NB638

積層セラミック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)。 デバイスが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を超えていることがわかります。 異なるリップル電圧が異なる出力電圧につながるため、調整率に問題がでる可能性があります(図10を参照)。

図10

現在のCOT制御

この問題に対処するためにCOT制御では低速EAを導入することもできます。 この低速EAはFBリップルによる高い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との一貫性を維持します(図11を参照)。

図11.:一定出力と設定電圧

低速EAのもう1つの利点は急峻に変化する過渡応答に影響を及ぼさないことです。

結論

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期待され、その結果、必要な電流がますます増えています。 対応するCOT制御は単相制御から単相マルチ方式並列制御、多相マルチ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制御は多相マルチ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て製品設計効率を向上させるなど、他の利点もサポートできます。 その一例が 2018 Global Electronic AchievementAward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の製品を参照してください。