一種基于MCU的同步Boost的移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

　　1.引言

　　隨著iphone、ipad帶動(dòng)的全球智能手機(jī)、平板的風(fēng)靡一時(shí)，人手一部智能手機(jī)已經(jīng)不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想，手機(jī)與平板是人們外出的必備物品，除了兼具通信、拍照、電腦功能之外，這些數(shù)碼設(shè)備同是也是一種時(shí)尚體現(xiàn)，對(duì)輕巧纖薄的完美外形之極致追求與電池的續(xù)航能力成為一對(duì)矛盾。為了追求完美，iphone、ipad更是設(shè)計(jì)出一體化用戶不可拆卸機(jī)身，電池?zé)o法拆卸，于是移動(dòng)電源成為了數(shù)碼后備電源的必須品，其市場(chǎng)需求隨著智能設(shè)備的發(fā)展迅速擴(kuò)大。

　　2.方案分析

　　2.1 技術(shù)規(guī)格與方案比較

　　當(dāng)前適用于手機(jī)平板的主流移動(dòng)電源的規(guī)格為：

　　(1)具有鋰電池充放電管理功能;

　　(2)5V/500mA/1A/2A輸出。

　　其中，鋰電池充放電管理由“保護(hù)IC+ASIC或MCU”實(shí)現(xiàn)，5V/500mA/1A/2A輸出由鋰電池Boost升壓加反饋控制實(shí)現(xiàn)。在移動(dòng)電壓的方案中，最關(guān)鍵的指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)是Boost升壓輸出的效率，因?yàn)殇囯姵爻潆婋娫匆话銇?lái)自220V市電充電器，不需要特別強(qiáng)調(diào)效率，而Boost升壓是將電池的電能輸出給手機(jī)、平板，充電效率特別重要。以10000mA時(shí)的移動(dòng)電源為例，90%的效率與70%效率的Boost充電電路，輸出電能相差2000mAh，從用戶體驗(yàn)來(lái)看，效率低的移動(dòng)電源發(fā)熱嚴(yán)重，安全隱患也較大。Boost電路主要有兩種，一種為二極管續(xù)流Boost，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，一種為同步Boost，電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)控制時(shí)序的精度要求高，過(guò)去幾年由于需求旺盛，為了快速出貨，大量方案均采用二極管續(xù)流的Boost方案，價(jià)格戰(zhàn)非常劇烈，因此，高端廠家開(kāi)始轉(zhuǎn)移到同步Boost方案。

　　2.2 專用MCU的同步Boost方案

　　移動(dòng)電源專用MCU HT45F4M的方案是當(dāng)前市場(chǎng)廣泛采用的同步Boost方案，具有電路簡(jiǎn)潔，效率高的特點(diǎn)，原廠提供的技術(shù)指標(biāo)為：靜態(tài)耗電小于10uA，實(shí)測(cè)放電轉(zhuǎn)換效率最高超過(guò)91%(5V/700mA輸出時(shí))。鋰電池保護(hù)機(jī)制：過(guò)流過(guò)壓過(guò)溫保護(hù)。其同步Boost的原理圖與二極管續(xù)流Boost對(duì)比如圖1所示。

　　圖1 HT45F4M同步Boost與通用MCU二極管續(xù)流Boost對(duì)比

　　由圖1所致可見(jiàn)，HT45F4M與通用MCU相比，主要特點(diǎn)是內(nèi)置互補(bǔ)式的PWM輸出功能，通過(guò)OUTL、OUTH的PWM互補(bǔ)時(shí)序，分別控制NMOS、PMOS的通斷，從而實(shí)現(xiàn)同步Boost。我們實(shí)測(cè)過(guò)該方案的成品，效率與廠家提供的指標(biāo)基本一致，與二極管Boost方案相比，1A以上大電流工作時(shí)，其功率器件發(fā)熱量低，效果差別明顯，性能良好。

　　3.互補(bǔ)式PWM的IC設(shè)計(jì)實(shí)

　　現(xiàn)由于HT45F4M與通用MCU的主要差異是互補(bǔ)式的PWM輸出，如果設(shè)計(jì)一顆實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式PWM輸出的ASIC，適當(dāng)選擇具有PWM輸出功能的通用MCU搭配，也可以實(shí)現(xiàn)類似HT45F4M的功能。這種IC設(shè)計(jì)+通用MCU的方案可以廣泛利用現(xiàn)有的大量MCU資源，更具靈活性，成本也有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　3.1 結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖

　　互補(bǔ)式的PWM的結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖如圖2所示，由通用MCU產(chǎn)生PWM輸出，輸入ASIC，經(jīng)延時(shí)時(shí)間插入電路，產(chǎn)生互補(bǔ)式的PWM輸出，此PWM輸出為PWMp，PWMn兩路，PWMp控制P-MOS，PWMn控制N-MOS。這兩個(gè)MOS管在充電時(shí)，用于控制充電電流;在放電時(shí)可用于控制放電電壓。充電時(shí)，PMOS導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，充電功率越大。放電時(shí)，NMOS導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，放電功率越大。

　　圖2 互補(bǔ)式的PWM的結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖

　　3.2 ASIC的設(shè)計(jì)與仿真分析

　　我們使用Candence IDE設(shè)計(jì)仿真了一顆ASIC，實(shí)現(xiàn)圖2所示的互補(bǔ)輸出，由MCU提供PWM信號(hào)，通過(guò)延時(shí)和組合邏輯實(shí)現(xiàn)圖2所示的PWM互補(bǔ)輸出時(shí)序。圖3所示為PWM與PWMn時(shí)序的仿真結(jié)果，圖中電壓峰值低者為來(lái)自MCU的PWM信號(hào)，電壓峰值高者為PWMn信號(hào)，PWMn下降沿與PWM的上升沿幾乎重疊，PWMn上升沿滯后于PWM的下升沿。時(shí)序上與圖2所示一致。

　　圖3 PWM與PWMn信號(hào)的仿真時(shí)序