一種基于MCU的同步Boost的移動電源設計

　　1.引言

　　隨著iphone、ipad帶動的全球智能手機、平板的風靡一時，人手一部智能手機已經不再是遙遠的夢想，手機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，這些數碼設備同是也是一種時尚體現，對輕巧纖薄的完美外形之極致追求與電池的續(xù)航能力成為一對矛盾。為了追求完美，iphone、ipad更是設計出一體化用戶不可拆卸機身，電池無法拆卸，于是移動電源成為了數碼后備電源的必須品，其市場需求隨著智能設備的發(fā)展迅速擴大。

　　2.方案分析

　　2.1 技術規(guī)格與方案比較

　　當前適用于手機平板的主流移動電源的規(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IC+ASIC或MCU”實現，5V/500mA/1A/2A輸出由鋰電池Boost升壓加反饋控制實現。在移動電壓的方案中，最關鍵的指標和技術難點是Boost升壓輸出的效率，因為鋰電池充電電源一般來自220V市電充電器，不需要特別強調效率，而Boost升壓是將電池的電能輸出給手機、平板，充電效率特別重要。以10000mA時的移動電源為例，90%的效率與70%效率的Boost充電電路，輸出電能相差2000mAh，從用戶體驗來看，效率低的移動電源發(fā)熱嚴重，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，電路相對簡單，一種為同步Boost，電路相對復雜，對控制時序的精度要求高，過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，價格戰(zhàn)非常劇烈，因此，高端廠家開始轉移到同步Boost方案。

　　2.2 專用MCU的同步Boost方案

　　移動電源專用MCU HT45F4M的方案是當前市場廣泛采用的同步Boost方案，具有電路簡潔，效率高的特點，原廠提供的技術指標為：靜態(tài)耗電小于10uA，實測放電轉換效率最高超過91%(5V/700mA輸出時)。鋰電池保護機制：過流過壓過溫保護。其同步Boost的原理圖與二極管續(xù)流Boost對比如圖1所示。

　　圖1 HT45F4M同步Boost與通用MCU二極管續(xù)流Boost對比

　　由圖1所致可見，HT45F4M與通用MCU相比，主要特點是內置互補式的PWM輸出功能，通過OUTL、OUTH的PWM互補時序，分別控制NMOS、PMOS的通斷，從而實現同步Boost。我們實測過該方案的成品，效率與廠家提供的指標基本一致，與二極管Boost方案相比，1A以上大電流工作時，其功率器件發(fā)熱量低，效果差別明顯，性能良好。

　　3.互補式PWM的IC設計實

　　現由于HT45F4M與通用MCU的主要差異是互補式的PWM輸出，如果設計一顆實現互補式PWM輸出的ASIC，適當選擇具有PWM輸出功能的通用MCU搭配，也可以實現類似HT45F4M的功能。這種IC設計+通用MCU的方案可以廣泛利用現有的大量MCU資源，更具靈活性，成本也有競爭力。

　　3.1 結構框圖與時序圖

　　互補式的PWM的結構框圖與時序圖如圖2所示，由通用MCU產生PWM輸出，輸入ASIC，經延時時間插入電路，產生互補式的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MOS管在充電時，用于控制充電電流;在放電時可用于控制放電電壓。充電時，PMOS導通的時間越長，充電功率越大。放電時，NMOS導通的時間越長，放電功率越大。

　　圖2 互補式的PWM的結構框圖與時序圖

　　3.2 ASIC的設計與仿真分析

　　我們使用Candence IDE設計仿真了一顆ASIC，實現圖2所示的互補輸出，由MCU提供PWM信號，通過延時和組合邏輯實現圖2所示的PWM互補輸出時序。圖3所示為PWM與PWMn時序的仿真結果，圖中電壓峰值低者為來自MCU的PWM信號，電壓峰值高者為PWMn信號，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。時序上與圖2所示一致。

　　圖3 PWM與PWMn信號的仿真時序