結合IC設計和通用MCU實(shí)現同步Boost移動(dòng)電源

　　1.引言

　　隨著(zhù)iphone、ipad帶動(dòng)的全球智能手機、平板的風(fēng)靡一時(shí)，人手一部智能手機已經(jīng)不再是遙遠的夢(mèng)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(shí)尚體現，對輕巧纖薄的完美外形之極致追求與電池的續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(hù)不可拆卸機身，電池無(wú)法拆卸，于是移動(dòng)電源成為了數碼后備電源的必須品，其市場(chǎng)需求隨著(zhù)智能設備的發(fā)展迅速擴大。

　　2.方案分析

　　2.1 技術(shù)規格與方案比較

　　當前適用于手機平板的主流移動(dòng)電源的規格為：

　?。?）具有鋰電池充放電管理功能；

　?。?）5V/500mA/1A/2A輸出。

　　其中，鋰電池充放電管理由“保護IC＋ASIC或MCU” 實(shí)現，5V/500mA/1A/2A輸出由鋰電池Boost升壓加反饋控制實(shí)現。在移動(dòng)電壓的方案中，最關(guān)鍵的指標和技術(shù)難點(diǎn)是Boost升壓輸出的效率，因為鋰電池充電電源一般來(lái)自220V市電充電器，不需要特別強調效率，而B(niǎo)oost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(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(hù)體驗來(lái)看，效率低的移動(dòng)電源發(fā)熱嚴重，安全隱患也較大。Boost電路主要有兩種，一種為二極管續流Boost，電路相對簡(jiǎn)單，一種為同步Boost，電路相對復雜，對控制時(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流的Boost方案，價(jià)格戰非常劇烈，因此，高端廠(chǎng)家開(kāi)始轉移到同步Boost方案。

　　2.2 專(zhuān)用MCU的同步Boost方案

　　移動(dòng)電源專(zhuān)用MCU HT45F4M的方案是當前市場(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(chǎng)提供的技術(shù)指標為：靜態(tài)耗電小于10uA，實(shí)測放電轉換效率最高超過(guò)91%（5V/700mA輸出時(shí)）。鋰電池保護機制：過(guò)流過(guò)壓過(guò)溫保護。其同步Boost的原理圖與二極管續流Boost對比如圖1所示。

　　圖1 HT45F4M同步Boost與通用MCU二極管續流Boost對比

　　由圖1所致可見(jiàn)，HT45F4M與通用MCU相比，主要特點(diǎn)是內置互補式的PWM輸出功能，通過(guò)OUTL、OUTH的PWM互補時(shí)序，分別控制NMOS、 PMOS的通斷，從而實(shí)現同步Boost。我們實(shí)測過(guò)該方案的成品，效率與廠(chǎng)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(shí)，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(shí)例

　　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(shí)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(shí)現類(lèi)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(shí)序圖

　　互補式的PWM的結構框圖與時(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導通的時(shí)間越長(cháng)，充電功率越大。放電時(shí)，NMOS導通的時(shí)間越長(cháng)，放電功率越大。

　　圖2 互補式的PWM的結構框圖與時(shí)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(shí)現圖2所示的互補輸出，由MCU提供PWM信號，通過(guò)延時(shí)和組合邏輯實(shí)現圖2所示的PWM互補輸出時(shí)序。圖3所示為 PWM與PWMn時(shí)序的仿真結果，圖中電壓峰值低者為來(lái)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(shí)序上與圖2所示一致。

　　圖3 PWM與PWMn信號的仿真時(shí)序

　　圖4所示為PWMn與PWMp時(shí)序的仿真結果，也是設計互補PWM輸出最終需要的結果。PWMp的低電平信號被“包圍在”PWMn的低電平信號中，也實(shí)現了圖2所示的時(shí)序關(guān)系。這意味著(zhù)“PMOS僅在NMOS關(guān)斷期間開(kāi)通”，因為在同步Boost的電路結構中，PMOS是低電平開(kāi)通，NMOS是低電平關(guān)斷。

　　圖4 PWMn與PWMp的仿真時(shí)序

　　圖 4所示的波形同時(shí)表明，ASIC的設計實(shí)現了當NMOS關(guān)斷的時(shí)候，PMOS滯后DT1時(shí)間開(kāi)通，當PMOS關(guān)斷DT2時(shí)間后，NMOS開(kāi)通，這意味著(zhù) “NMOS僅在PMOS關(guān)斷期間開(kāi)通”?？梢?jiàn)，PMOS與NMOS都在對方關(guān)斷后導通，兩個(gè)管不會(huì )同時(shí)導通。當NMOS導通時(shí)，電能轉化為電感線(xiàn)圈的磁場(chǎng)能，當NMOS關(guān)斷后，磁場(chǎng)能轉化為電能，與電池電壓疊加，通過(guò)PMOS管輸出，于是，電路實(shí)現了同步Boost升壓功能。

　　3.3 開(kāi)關(guān)損耗

　　當 NMOS關(guān)斷后，在PMOS管還未導通的DT1時(shí)間內，Boost電壓通過(guò)其PMOS管的體二極管輸出，因體二極管的壓降較大，這會(huì )帶來(lái)功率損耗，但由于 MOS管開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾十納秒以?xún)?，因此在整個(gè)導通周期內損耗不大。恰當設計ASIC的延時(shí)時(shí)間，通過(guò)ASIC的Option Pin腳使延時(shí)時(shí)間長(cháng)度可變，并選擇合適的MOS管，即可使DT時(shí)間略大于PMOS管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，保證兩個(gè)MOS管不會(huì )同時(shí)導通，并減少開(kāi)關(guān)損耗。

　　與肖特基二極管相比，由于PMOS的導通電阻低，管壓降小，從而提高了效率，理論上肖特基的壓降約為0.3V，在5V/1A輸出時(shí)，肖特基上浪費的功率約為 0.3V*1A=0.3w，約為輸出功率的6%，這樣，若不計MOS管的導通電阻與開(kāi)關(guān)損耗，理論上同步Boost效率比二極管續流高約6%，常用的低壓功率NOS管如8205A或P2804NVG在1A電流時(shí)導通電阻只有幾十毫歐，開(kāi)關(guān)時(shí)間只有幾十納秒，所以實(shí)測結果顯示同步Boost方案的效率提高明顯，功率器件發(fā)熱較低，與理論分析相符。

　　3.4 競爭力與成本

　　除了肖特基外，電感，導線(xiàn)，電路板走線(xiàn)都會(huì )發(fā)熱，因此輸出電流500mA以上時(shí)，二極管Boost的移動(dòng)電源很難做到90%以上的效率，而同步Boost較容易達到，對于大容量移動(dòng)電源而言，兩種方案因效率產(chǎn)生的電池成本差別非常大，并且同步Boost移動(dòng)電源本身因發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度上升幅度很小，因此，容量越高、電流越大的移動(dòng)電源，在技術(shù)指標、成本和用戶(hù)體驗三個(gè)方面，非同步Boost方案越缺乏競爭力。由于不同MOS管的開(kāi)關(guān)導通時(shí)間不同，ASIC的延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)增加或減少延時(shí)門(mén)的數量來(lái)調節。經(jīng)測算，在0.5um工藝下，不計Pad時(shí)，Layout的面積小于0.4mm^2，成本很低。

　　4. MCU選型及軟件流程說(shuō)明

　　使用通用MCU的PWM驅動(dòng)Boost升壓，實(shí)現移動(dòng)電源方案，在MCU選型時(shí)，其PWM的輸出頻率最好在100KHz以上，否則需要很大的電感和濾波電容，MCU應當有8bit以上的AD能力。我們分析過(guò)HOLTEK、海爾、義隆、Sonix、芯睿等消費電子常用的MCU資料，均有可以達到這一要求的通用MCU型號。

　　移動(dòng)電源軟件流程主要包含三部分：主循環(huán)，充電管理，放電管理等。我們分別使用過(guò)臺灣Holtek的HT46R066、海爾的HR6P71、芯睿的MK7A22P三種MCU，實(shí)現了由MCU的PWM驅動(dòng)的移動(dòng)電源方案，以下流程經(jīng)實(shí)際驗證是可行的。

　　4.1 主循環(huán)

　　外部電源接入時(shí)，進(jìn)行充電管理；外部負載接入時(shí)，進(jìn)行放電管理。按鍵按下時(shí)進(jìn)行LED電量顯示，按鍵長(cháng)按時(shí)打開(kāi)手電筒功能。在整個(gè)充放電過(guò)程中進(jìn)行溫度檢測保護，在整個(gè)充電過(guò)程中保持LED輸出。放電時(shí)若超過(guò)10秒無(wú)按鍵，則進(jìn)入到低功耗模式，關(guān)閉LED。

　　4.2 充電管理

　　充電管理主要功能為：當電池電壓小于3V時(shí)，進(jìn)行涓流（1/10C）充電；當電池電壓在3V-4.2V時(shí)進(jìn)行恒流充電。當電池電壓大于4.2V時(shí)，進(jìn)行恒壓充電直至充電電流小于1/10C，此刻認為電池充滿(mǎn)，用于電量顯示的LED全亮。

　　4.3 放電管理

　　放電管理主要流程為，產(chǎn)生PWM信號驅動(dòng)Boost升壓，由MCU的AD Pin檢測輸出電壓，當輸出電壓低于5V或高于時(shí)，改變PWM的占空比，控制Boost升壓的幅度，實(shí)現恒壓。通過(guò)串聯(lián)在輸出電路上的電阻，檢測電阻壓降的AD值，改變PWM占空比，實(shí)現恒流輸出和限流保護。如果MCU的AD位數小于10位，也可采用軟件算法限流，實(shí)際測試可用，但控制電流的精度較低。

　　5.結語(yǔ)

　　相對二極管續流的非同步Boost方案，同步Boost的移動(dòng)電源具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)，理論及實(shí)測都充分證明這一優(yōu)點(diǎn)，因此它將會(huì )成為消費電子市場(chǎng)中移動(dòng)電源的主流方案。本文提出了一種IC設計結合通用MCU實(shí)現的同步Boost方案，并進(jìn)行IC設計仿真，達到預期結果。與專(zhuān)用IC相比，可充分利有現有 MCU資源，方案選擇靈活、成本也具有競爭力，相信這種形式的方案將在市場(chǎng)占有其一席之地。