一種基于MCU的同步Boost的移動(dòng)電源設計

　　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：

　　(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(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(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)

　　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