一種基于MCU的同步Boost的移動(dòng)電源設計

　　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。