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一种基于MCU的同步Boost的移动电源设计

发布时间:2020-07-21 17:52:38 阅读: 来源:焊线机厂家

1.引言

本文引用地址: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

11 Go 的无符号整型(uint)

14 Ruby 的类

28 聚合函数 MIN、MAX