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基于IC设计和通用MCU实现同步Boost的移动电源设计

时间:12-08 来源:互联网 点击:

  1.引言

  随着iphone、ipad带动的全球智能手机、平板的风靡一时,人手一部智能手机已经不再是遥远的梦想,手机与平板是人们外出的必备物品,除了兼具通信、拍照、电脑功能之外,这些数码设备同是也是一种时尚体现,对轻巧纤薄的完美外形之极致追求与电池的续航能力成为一对矛盾。为了追求完美,iphone、ipad更是设计出一体化用户不可拆卸机身,电池无法拆卸,于是移动电源成为了数码后备电源的必须品,其市场需求随着智能设备的发展迅速扩大。

  2.方案分析

  2.1 技术规格与方案比较

  当前适用于手机平板的主流移动电源的规格为:

  (1)具有锂电池充放电管理功能;

  (2)5V/500mA/1A/2A输出。

  其中,锂电池充放电管理由“保护IC+ASIC或MCU”实现,5V/500mA/1A/2A输出由锂电池Boost升压加反馈控制实现。在移动电压的方案中,最关键的指标和技术难点是Boost升压输出的效率,因为锂电池充电电源一般来自220V市电充电器,不需要特别强调效率,而Boost升压是将电池的电能输出给手机、平板,充电效率特别重要。以10000mA时的移动电源为例,90%的效率与70%效率的Boost充电电路,输出电能相差2000mAh,从用户体验来看,效率低的移动电源发热严重,安全隐患也较大。Boost电路主要有两种,一种为二极管续流Boost,电路相对简单,一种为同步Boost,电路相对复杂,对控制时序的精度要求高,过去几年由于需求旺盛,为了快速出货,大量方案均采用二极管续流的Boost方案,价格战非常剧烈,因此,高端厂家开始转移到同步Boost方案。

  2.2 专用MCU的同步Boost方案

  移动电源专用MCU HT45F4M的方案是当前市场广泛采用的同步Boost方案,具有电路简洁,效率高的特点,原厂提供的技术指标为:静态耗电小于10uA,实测放电转换效率最高超过91%(5V/700mA输出时)。锂电池保护机制:过流过压过温保护。其同步Boost的原理图与二极管续流Boost对比如图1所示。

  

  图1 HT45F4M同步Boost与通用MCU二极管续流Boost对比

  由图1所致可见,HT45F4M与通用MCU相比,主要特点是内置互补式的PWM输出功能,通过OUTL、OUTH的PWM互补时序,分别控制NMOS、PMOS的通断,从而实现同步Boost。我们实测过该方案的成品,效率与厂家提供的指标基本一致,与二极管Boost方案相比,1A以上大电流工作时,其功率器件发热量低,效果差别明显,性能良好。

  3.互补式PWM的IC设计实

  现由于HT45F4M与通用MCU的主要差异是互补式的PWM输出,如果设计一颗实现互补式PWM输出的ASIC,适当选择具有PWM输出功能的通用MCU搭配,也可以实现类似HT45F4M的功能。这种IC设计+通用MCU的方案可以广泛利用现有的大量MCU资源,更具灵活性,成本也有竞争力。

  3.1 结构框图与时序图

  互补式的PWM的结构框图与时序图如图2所示,由通用MCU产生PWM输出,输入ASIC,经延时时间插入电路,产生互补式的PWM输出,此PWM输出为PWMp,PWMn两路,PWMp控制P-MOS,PWMn控制N-MOS。这两个MOS管在充电时,用于控制充电电流;在放电时可用于控制放电电压。充电时,PMOS导通的时间越长,充电功率越大。放电时,NMOS导通的时间越长,放电功率越大。

  

  图2 互补式的PWM的结构框图与时序图

  3.2 ASIC的设计与仿真分析

  我们使用Candence IDE设计仿真了一颗ASIC,实现图2所示的互补输出,由MCU提供PWM信号,通过延时和组合逻辑实现图2所示的PWM互补输出时序。图3所示为PWM与PWMn时序的仿真结果,图中电压峰值低者为来自MCU的PWM信号,电压峰值高者为PWMn信号,PWMn下降沿与PWM的上升沿几乎重叠,PWMn上升沿滞后于PWM的下升沿。时序上与图2所示一致。

  

  图3 PWM与PWMn信号的仿真时序  图4所示为PWMn与PWMp时序的仿真结果,也是设计互补PWM输出最终需要的结果。PWMp的低电平信号被“包围在”PWMn的低电平信号中,也实现了图2所示的时序关系。这意味着“PMOS仅在NMOS关断期间开通”,因为在同步Boost的电路结构中,PMOS是低电平开通,NMOS是低电平关断。

  

  图4 PWMn与PWMp的仿真时序

  图4所示的波形同时表明,ASIC的设计实现了当NMOS关断的时候,PMOS滞后DT1时间开通,当PMOS关断DT2时间后,NMOS开通,这意味着“NMOS仅在PMOS关断期间开通”。可见,PMOS与NMOS都在对方关断后导通,两个管不会同时导通。当NMOS导通时,电能转化为电感线圈的磁场能,当NMOS关断后,磁场能转化为电能,与电池电压叠加,通过PMOS管输出,于是,电路实现了同步Boost升压功能。

  3.3 开关损耗

当NMOS关断后,在PMOS管还未导通的DT1时间内,Boost电压通过其PMOS管的体二极管输出,因体二极管的压降较大,这会带来功率损耗,但由于MOS管开关时间在几十纳

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