[发明专利]一种单片高频DC－DC转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种为用电池供电的便携式设备提供稳压电源的DC-DC转换器。

背景技术

计算机和通信技术的飞速发展，特别是在电池供电的便携式设备中，开关型DC-DC(直流到直流)转换器被广泛应用到供电系统中，并正逐步成VLSI(超大规模集成电路)系统的关键模块。高效率、低成本、最少的组成元件、高稳定性、鲁棒性、动态响应速度快是衡量便携式电源IC(集成电路)的重要指标。为了使用最少的外接元件可把功率开关、补偿网络、电压参考、波形发生器、驱动电路等都集成到同一个芯片上，由于集成电感Q值很低同时集成电容C占用过大的面积，电感和电容采取外接的方式。现今，由于微处理器的速度极大提高，微处理器的开关频繁动作使电源的负载变化特别快，要求电源具有快速的动态响应特性，传统的电源系统的动态响应特性很难满足快速的负载变化的要求。在便携式设备中广泛使用BUCK(降压型)DC-DC转换器，在不同的供电和负载变化及快速的扰动条件下要求获得最佳调整，这就对控制策略提出了紧迫的要求。传统的DC-DC转换器仅使用电压模式控制，PID(比例积分微分)网络仅仅用输出电压作为反馈量。很显然，在供电和负载大的扰动、参数变化、非线性变化起主要作用的条件下，它的性能远远达不到要求。模糊控制、神经网络控制等非线性控制方法能克服传统方法的缺点，在各种条件下都可获得满意的性能，但这种控制方法很难在集成电路中实现。在文献[1]S.C.Tan，Y.M.Lai，Chi K.Tse，and M.K.H.Cheung，“A fixed-frequency pulse-width-modulation based quasi-sliding mode controllerfor buck converters”，IEEE Transactions on Power Electronics，Mar.2005 Vol.20，no.6，pp.1379-1392.中提出了一种非线性控制方法-滑动模式(sliding mode)电压控制，此方法的主要优点是信号的PWM(脉宽调制)动态模型可建模成连续时间的闭环系统，因而可用连续线性控制理论来设计和验证系统的静动态特性和稳定性。在滑动模式电压控制带来稳定性及对非线性因素控制的同时，它对负载的电流的大的快速变化响应速度慢。在电流模式控制中，芯片上电流检测在功耗和精度之间存在折衷，常用的方法有串联电阻、晶体管检测、积分检测等，但都严重影响转换器的效率。在文献[2]Cheung Fai Lee and PhilipK.T.Mok，“A monolithic current-mode CMOS DC-DC converter with on-chipcurrent-sensing technique”，IEEE Journal of solid-state circuits.Jan.2004.Vol.39.No.1pp.3-14.和文献[3]Chi Yat Leung，Philip K.T.Mok，Ka Nang Leung，andMansun Chan，“An integrated CMOS current-sensing circuit for low-voltagecurrent-mode Buck regulator”，IEEE Trans on circuits and systems-II：Expressbriefs.July.2005.Vol.52.No.7.pp.394-397.提出了一种检测电路，在不影响效率的前提下检测精度达到96％，电路中采用了两级运算放大器来提高检测精度，增加低频极点会成为高频开关电源对快速扰动响应的瓶颈。同时还因为采用电流模式控制，对供电和负载大的扰动、参数变化、非线性变化起主要作用的条件下很难满足高稳定性、鲁棒性、动态响应速度快的要求。电池供电的便携式移动设备多数时间工作在待机状态(对开关电源对应轻载状态)，为了延长电池的使用寿命，提高在轻载时的效率至关重要。文献[2]、[3]未考虑轻载的效率问题，在输出电流为300mA时效率最高为89.5％，随着输出电流的减少效率显著降低。

发明内容：

本发明针对传统电压模式控制转换器的动态响应速度和稳定性很难满足快速的负载变化的要求，以及电流模式控制转换器存在轻载效率低等缺点和不足，提供了一种单片高频、高轻载效率、高稳定性、动态响应速度快、基于滑动模式电压控制和电流模式控制相级联的CMOS(互补金属氧化物半导体)PWM DC-DC降压型转换器。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：