一种基于MCU的同步Boost的移动电源设计

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