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[導(dǎo)讀]  1.引言  隨著iphone、ipad帶動(dòng)的全球智能手機(jī)、平板的風(fēng)靡一時(shí),人手一部智能手機(jī)已經(jīng)不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想,手機(jī)與平板是人們外出的必備物品,除了兼具通信、拍照、電腦

  1.引言

  隨著iphone、ipad帶動(dòng)的全球智能手機(jī)、平板的風(fēng)靡一時(shí),人手一部智能手機(jī)已經(jīng)不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想,手機(jī)與平板是人們外出的必備物品,除了兼具通信、拍照、電腦功能之外,這些數(shù)碼設(shè)備同是也是一種時(shí)尚體現(xiàn),對(duì)輕巧纖薄的完美外形之極致追求與電池的續(xù)航能力成為一對(duì)矛盾。為了追求完美,iphone、ipad更是設(shè)計(jì)出一體化用戶(hù)不可拆卸機(jī)身,電池?zé)o法拆卸,于是移動(dòng)電源成為了數(shù)碼后備電源的必須品,其市場(chǎng)需求隨著智能設(shè)備的發(fā)展迅速擴(kuò)大。

  2.方案分析

  2.1 技術(shù)規(guī)格與方案比較

  當(dāng)前適用于手機(jī)平板的主流移動(dòng)電源的規(guī)格為:

  (1)具有鋰電池充放電管理功能;

  (2)5V/500mA/1A/2A輸出。

  其中,鋰電池充放電管理由“保護(hù)IC+ASIC或MCU”實(shí)現(xiàn),5V/500mA/1A/2A輸出由鋰電池Boost升壓加反饋控制實(shí)現(xiàn)。在移動(dòng)電壓的方案中,最關(guān)鍵的指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)是Boost升壓輸出的效率,因?yàn)殇囯姵爻潆婋娫匆话銇?lái)自220V市電充電器,不需要特別強(qiáng)調(diào)效率,而B(niǎo)oost升壓是將電池的電能輸出給手機(jī)、平板,充電效率特別重要。以10000mA時(shí)的移動(dòng)電源為例,90%的效率與70%效率的Boost充電電路,輸出電能相差2000mAh,從用戶(hù)體驗(yàn)來(lái)看,效率低的移動(dòng)電源發(fā)熱嚴(yán)重,安全隱患也較大。Boost電路主要有兩種,一種為二極管續(xù)流Boost,電路相對(duì)簡(jiǎn)單,一種為同步Boost,電路相對(duì)復(fù)雜,對(duì)控制時(shí)序的精度要求高,過(guò)去幾年由于需求旺盛,為了快速出貨,大量方案均采用二極管續(xù)流的Boost方案,價(jià)格戰(zhàn)非常劇烈,因此,高端廠(chǎng)家開(kāi)始轉(zhuǎn)移到同步Boost方案。

  2.2 專(zhuān)用MCU的同步Boost方案

  移動(dòng)電源專(zhuān)用MCU HT45F4M的方案是當(dāng)前市場(chǎng)廣泛采用的同步Boost方案,具有電路簡(jiǎn)潔,效率高的特點(diǎn),原廠(chǎng)提供的技術(shù)指標(biāo)為:靜態(tài)耗電小于10uA,實(shí)測(cè)放電轉(zhuǎn)換效率最高超過(guò)91%(5V/700mA輸出時(shí))。鋰電池保護(hù)機(jī)制:過(guò)流過(guò)壓過(guò)溫保護(hù)。其同步Boost的原理圖與二極管續(xù)流Boost對(duì)比如圖1所示。

  

 

  圖1 HT45F4M同步Boost與通用MCU二極管續(xù)流Boost對(duì)比

  由圖1所致可見(jiàn),HT45F4M與通用MCU相比,主要特點(diǎn)是內(nèi)置互補(bǔ)式的PWM輸出功能,通過(guò)OUTL、OUTH的PWM互補(bǔ)時(shí)序,分別控制NMOS、PMOS的通斷,從而實(shí)現(xiàn)同步Boost。我們實(shí)測(cè)過(guò)該方案的成品,效率與廠(chǎng)家提供的指標(biāo)基本一致,與二極管Boost方案相比,1A以上大電流工作時(shí),其功率器件發(fā)熱量低,效果差別明顯,性能良好。

  3.互補(bǔ)式PWM的IC設(shè)計(jì)實(shí)

  現(xiàn)由于HT45F4M與通用MCU的主要差異是互補(bǔ)式的PWM輸出,如果設(shè)計(jì)一顆實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式PWM輸出的ASIC,適當(dāng)選擇具有PWM輸出功能的通用MCU搭配,也可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似HT45F4M的功能。這種IC設(shè)計(jì)+通用MCU的方案可以廣泛利用現(xiàn)有的大量MCU資源,更具靈活性,成本也有競(jìng)爭(zhēng)力。

  3.1 結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖

  互補(bǔ)式的PWM的結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖如圖2所示,由通用MCU產(chǎn)生PWM輸出,輸入ASIC,經(jīng)延時(shí)時(shí)間插入電路,產(chǎn)生互補(bǔ)式的PWM輸出,此PWM輸出為PWMp,PWMn兩路,PWMp控制P-MOS,PWMn控制N-MOS。這兩個(gè)MOS管在充電時(shí),用于控制充電電流;在放電時(shí)可用于控制放電電壓。充電時(shí),PMOS導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng),充電功率越大。放電時(shí),NMOS導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng),放電功率越大。

  

 

  圖2 互補(bǔ)式的PWM的結(jié)構(gòu)框圖與時(shí)序圖

  3.2 ASIC的設(shè)計(jì)與仿真分析

  我們使用Candence IDE設(shè)計(jì)仿真了一顆ASIC,實(shí)現(xiàn)圖2所示的互補(bǔ)輸出,由MCU提供PWM信號(hào),通過(guò)延時(shí)和組合邏輯實(shí)現(xiàn)圖2所示的PWM互補(bǔ)輸出時(shí)序。圖3所示為PWM與PWMn時(shí)序的仿真結(jié)果,圖中電壓峰值低者為來(lái)自MCU的PWM信號(hào),電壓峰值高者為PWMn信號(hào),PWMn下降沿與PWM的上升沿幾乎重疊,PWMn上升沿滯后于PWM的下升沿。時(shí)序上與圖2所示一致。

  

 

  圖3 PWM與PWMn信號(hào)的仿真時(shí)序[!--empirenews.page--]

  圖4所示為PWMn與PWMp時(shí)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(hào)被“包圍在”PWMn的低電平信號(hào)中,也實(shí)現(xiàn)了圖2所示的時(shí)序關(guān)系。這意味著“PMOS僅在NMOS關(guān)斷期間開(kāi)通”,因?yàn)樵谕紹oost的電路結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)NMOS關(guān)斷的時(shí)候,PMOS滯后DT1時(shí)間開(kāi)通,當(dāng)PMOS關(guān)斷DT2時(shí)間后,NMOS開(kāi)通,這意味著“NMOS僅在PMOS關(guān)斷期間開(kāi)通”??梢?jiàn),PMOS與NMOS都在對(duì)方關(guān)斷后導(dǎo)通,兩個(gè)管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)NMOS導(dǎo)通時(shí),電能轉(zhuǎn)化為電感線(xiàn)圈的磁場(chǎng)能,當(dāng)NMOS關(guān)斷后,磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)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(xiàn)了同步Boost升壓功能。

  3.3 開(kāi)關(guān)損耗

  當(dāng)NMOS關(guān)斷后,在PMOS管還未導(dǎo)通的DT1時(shí)間內(nèi),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)?nèi),因此在整個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)損耗不大。恰當(dāng)設(shè)計(jì)ASIC的延時(shí)時(shí)間,通過(guò)ASIC的Option Pin腳使延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)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(dǎo)通,并減少開(kāi)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(shí),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(kāi)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(shí)導(dǎo)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)力與成本

  除了肖特基外,電感,導(dǎo)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(dá)到,對(duì)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(biāo)、成本和用戶(hù)體驗(yàn)三個(gè)方面,非同步Boost方案越缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。由于不同MOS管的開(kāi)關(guān)導(dǎo)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(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)算,在0.5um工藝下,不計(jì)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(qū)動(dòng)Boost升壓,實(shí)現(xiàn)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(yīng)當(dāng)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(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(hào)。

  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(tái)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(dòng)的移動(dòng)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(shí),進(jìn)行充電管理;外部負(fù)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(zhǎng)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(cè)保護(hù),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(dāng)電池電壓小于3V時(shí),進(jìn)行涓流(1/10C)充電;當(dāng)電池電壓在3V-4.2V時(shí)進(jìn)行恒流充電。當(dāng)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(rèn)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(hào)驅(qū)動(dòng)Boost升壓,由MCU的AD Pin檢測(cè)輸出電壓,當(dāng)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(xiàn)恒壓。通過(guò)串聯(lián)在輸出電路上的電阻,檢測(cè)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(cè)試可用,但控制電流的精度較低。

  5.結(jié)語(yǔ)

  相對(duì)二極管續(xù)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(cè)都充分證明這一優(yōu)點(diǎn),因此它將會(huì)成為消費(fèi)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(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(zhuān)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(jìng)爭(zhēng)力,相信這種形式的方案將在市場(chǎng)占有其一席之地。

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