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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

发布时间:2020-09-11
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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

发布时间:2020-09-11
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      1.引言

      随着iphone、ipad带动的智能手机、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,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秒以内,因此在整个导通周期内损耗不大。恰当设计ASIC的延时时间,通过ASIC的Option Pin脚使延时时间长度可变,并选择合适的MOS管,即可使DT时间略大于PMOS管的开关时间,保证两个MOS管不会同时导通,并减少开关损耗。

      与肖特基二极管相比,由于PMOS的导通电阻低,管压降小,从而提高了效率,理论上肖特基的压降约为0.3V,在5V/1A输出时,肖特基上浪费的功率约为0.3V*1A=0.3w,约为输出功率的6%,这样,若不计MOS管的导通电阻与开关损耗,理论上同步Boost效率比二极管续流高约6%,常用的低压功率NOS管如8205A或P2804NVG在1A电流时导通电阻只有几十毫欧,开关时间只有几十纳秒,所以实测结果显示同步Boost方案的效率提高明显,功率器件发热较低,与理论分析相符。

      3.4 竞争力与成本

      除了肖特基外,电感,导线,电路板走线都会发热,因此输出电流500mA以上时,二极管Boost的移动电源很难做到90%以上的效率,而同步Boost较容易达到,对于大容量移动电源而言,两种方案因效率产生的电池成本差别非常大,并且同步Boost移动电源本身因发热而产生的温度上升幅度很小,因此,容量越高、电流越大的移动电源,在技术指标、成本和用户体验三个方面,非同步Boost方案越缺乏竞争力。由于不同MOS管的开关导通时间不同,ASIC的延时时间可以通过增加或减少延时门的数量来调节。经测算,在0.5um工艺下,不计Pad时,Layout的面积小于0.4mm^2,成本很低。

      4. MCU选型及软件流程说明

      使用通用MCU的PWM驱动Boost升压,实现移动电源方案,在MCU选型时,其PWM的输出频率在100KHz以上,否则需要很大的电感和滤波电容,MCU应当有8bit以上的AD能力。我们分析过HOLTEK、海尔、义隆、Sonix、芯睿等消费电子常用的MCU资料,均有可以达到这一要求的通用MCU型号。

      移动电源软件流程主要包含三部分:主循环,充电管理,放电管理等。我们分别使用过台湾Holtek的HT46R066、海尔的HR6P71、芯睿的MK7A22P三种MCU,实现了由MCU的PWM驱动的移动电源方案,以下流程经实际验证是可行的。

      4.1 主循环

      外部电源接入时,进行充电管理;外部负载接入时,进行放电管理。按键按下时进行LED电量显示,按键长按时打开手电筒功能。在整个充放电过程中进行温度检测保护,在整个充电过程中保持LED输出。放电时若超过10秒无按键,则进入到低功耗模式,关闭LED。

      4.2 充电管理

      充电管理主要功能为:当电池电压小于3V时,进行涓流(1/10C)充电;当电池电压在3V-4.2V时进行恒流充电。当电池电压大于4.2V时,进行恒压充电直至充电电流小于1/10C,此刻认为电池充满,用于电量显示的LED全亮。

      4.3 放电管理

      放电管理主要流程为,产生PWM信号驱动Boost升压,由MCU的AD Pin检测输出电压,当输出电压低于5V或高于时,改变PWM的占空比,控制Boost升压的幅度,实现恒压。通过串联在输出电路上的电阻,检测电阻压降的AD值,改变PWM占空比,实现恒流输出和限流保护。如果MCU的AD位数小于10位,也可采用软件算法限流,实际测试可用,但控制电流的较低。

      5.结语

      相对二极管续流的非同步Boost方案,同步Boost的移动电源具有效率高的突出优点,理论及实测都充分证明这一优点,因此它将会成为消费电子市场中移动电源的主流方案。本文提出了一种IC设计结合通用MCU实现的同步Boost方案,并进行IC设计仿真,达到预期结果。与专用IC相比,可充分利有现有MCU资源,方案选择灵活、成本也具有竞争力,相信这种形式的方案将在市场占有其一席之地。

转载自维库电子市场网。

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