一種基于MCU的同步Boost的移動電源設(shè)計(jì)

　　圖4所示為PWMn與PWMp時序的仿真結(jié)果，也是設(shè)計(jì)互補(bǔ)PWM輸出最終需要的結(jié)果。PWMp的低電平信號被“包圍在”PWMn的低電平信號中，也實(shí)現(xiàn)了圖2所示的時序關(guān)系。這意味著“PMOS僅在NMOS關(guān)斷期間開通”，因?yàn)樵谕?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Boost">Boost的電路結(jié)構(gòu)中，PMOS是低電平開通，NMOS是低電平關(guān)斷。

　　圖4 PWMn與PWMp的仿真時序

　　圖4所示的波形同時表明，ASIC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)NMOS關(guān)斷的時候，PMOS滯后DT1時間開通，當(dāng)PMOS關(guān)斷DT2時間后，NMOS開通，這意味著“NMOS僅在PMOS關(guān)斷期間開通”。可見，PMOS與NMOS都在對方關(guān)斷后導(dǎo)通，兩個管不會同時導(dǎo)通。當(dāng)NMOS導(dǎo)通時，電能轉(zhuǎn)化為電感線圈的磁場能，當(dāng)NMOS關(guān)斷后，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，與電池電壓疊加，通過PMOS管輸出，于是，電路實(shí)現(xiàn)了同步Boost升壓功能。

　　3.3 開關(guān)損耗

　　當(dāng)NMOS關(guān)斷后，在PMOS管還未導(dǎo)通的DT1時間內(nèi)，Boost電壓通過其PMOS管的體二極管輸出，因體二極管的壓降較大，這會帶來功率損耗，但由于MOS管開關(guān)時間在幾十納秒以內(nèi)，因此在整個導(dǎo)通周期內(nèi)損耗不大。恰當(dāng)設(shè)計(jì)ASIC的延時時間，通過ASIC的Option Pin腳使延時時間長度可變，并選擇合適的MOS管，即可使DT時間略大于PMOS管的開關(guān)時間，保證兩個MOS管不會同時導(dǎo)通，并減少開關(guān)損耗。

　　與肖特基二極管相比，由于PMOS的導(dǎo)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，肖特基上浪費(fèi)的功率約為0.3V*1A=0.3w，約為輸出功率的6%，這樣，若不計(jì)MOS管的導(dǎo)通電阻與開關(guān)損耗，理論上同步Boost效率比二極管續(xù)流高約6%，常用的低壓功率NOS管如8205A或P2804NVG在1A電流時導(dǎo)通電阻只有幾十毫歐，開關(guān)時間只有幾十納秒，所以實(shí)測結(jié)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(dǎo)線，電路板走線都會發(fā)熱，因此輸出電流500mA以上時，二極管Boost的移動電源很難做到90%以上的效率，而同步Boost較容易達(dá)到，對于大容量移動電源而言，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、電流越大的移動電源，在技術(shù)指標(biāo)、成本和用戶體驗(yàn)三個方面，非同步Boost方案越缺乏競爭力。由于不同MOS管的開關(guān)導(dǎo)通時間不同，ASIC的延時時間可以通過增加或減少延時門的數(shù)量來調(diào)節(jié)。經(jīng)測算，在0.5um工藝下，不計(jì)Pad時，Layout的面積小于0.4mm^2，成本很低。

　　4. MCU選型及軟件流程說明

　　使用通用MCU的PWM驅(qū)動Boost升壓，實(shí)現(xiàn)移動電源方案，在MCU選型時，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(yīng)當(dāng)有8bit以上的AD能力。我們分析過HOLTEK、海爾、義隆、Sonix、芯睿等消費(fèi)電子常用的MCU資料，均有可以達(dá)到這一要求的通用MCU型號。

　　移動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。我們分別使用過臺灣Holtek的HT46R066、海爾的HR6P71、芯睿的MK7A22P三種MCU，實(shí)現(xiàn)了由MCU的PWM驅(qū)動的移動電源方案，以下流程經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證是可行的。

　　4.1 主循環(huán)

　　外部電源接入時，進(jìn)行充電管理;外部負(fù)載接入時，進(jìn)行放電管理。按鍵按下時進(jìn)行LED電量顯示，按鍵長按時打開手電筒功能。在整個充放電過程中進(jìn)行溫度檢測保護(hù)，在整個充電過程中保持LED輸出。放電時若超過10秒無按鍵，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(dāng)電池電壓小于3V時，進(jìn)行涓流(1/10C)充電;當(dāng)電池電壓在3V-4.2V時進(jìn)行恒流充電。當(dāng)電池電壓大于4.2V時，進(jìn)行恒壓充電直至充電電流小于1/10C，此刻認(rèn)為電池充滿，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(qū)動Boost升壓，由MCU的AD Pin檢測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓低于5V或高于時，改變PWM的占空比，控制Boost升壓的幅度，實(shí)現(xiàn)恒壓。通過串聯(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(xiàn)恒流輸出和限流保護(hù)。如果MCU的AD位數(shù)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(jié)語

　　相對二極管續(xù)流的非同步Boost方案，同步Boost的移動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)，因此它將會成為消費(fèi)電子市場中移動電源的主流方案。本文提出了一種IC設(shè)計(jì)結(jié)合通用MCU實(shí)現(xiàn)的同步Boost方案，并進(jìn)行IC設(shè)計(jì)仿真，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。與專用IC相比，可充分利有現(xiàn)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占有其一席之地。