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根据IC规划和通用MCU完成同步Boost的移动电源规划

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

  1.导言

  跟着iphone、ipad带动的全球智能手机、平板的风行一时,人手一部智能手机现已不再是悠远的愿望,手机与平板是人们外出的必备物品,除了兼具通讯、摄影、电脑功用之外,这些数码设备同是也是一种时髦表现,对轻盈纤薄的完美外形之极致寻求与电池的续航才能成为一对对立。为了寻求完美,iphone、ipad更是规划出一体化用户不行拆开机身,电池无法拆开,所以移动电源成为了数码后备电源的必须品,其商场需求跟着智能设备的发展迅速扩展。

  2.计划剖析

  2.1 技能标准与计划比较

  当时适用于手机平板的干流移动电源的标准为:

  (1)具有锂电池充放电办理功用;

  (2)5V/500mA/1A/2A输出。

  其间,锂电池充放电办理由“维护IC+ASIC或MCU”完成,5V/500mA/1A/2A输出由锂电池Boost升压加反应操控完成。在移动电压的计划中,最要害的目标和技能难点是Boost升压输出的功率,因为锂电池充电电源一般来自220V市电充电器,不需求特别强调功率,而Boost升压是将电池的电能输出给手机、平板,充电功率特别重要。以10000mA时的移动电源为例,90%的功率与70%功率的Boost充电电路,输出电能相差2000mAh,从用户体会来看,功率低的移动电源发热严峻,安全隐患也较大。Boost电路首要有两种,一种为二极管续流Boost,电路相对简略,一种为同步Boost,电路相对杂乱,对操控时序的精度要求高,曩昔几年因为需求旺盛,为了快速出货,很多计划均选用二极管续流的Boost计划,价格战十分剧烈,因而,高端厂家开端转移到同步Boost计划。

  2.2 专用MCU的同步Boost计划

  移动电源专用MCU HT45F4M的计划是当时商场广泛选用的同步Boost计划,具有电路简练,功率高的特色,原厂供给的技能目标为:静态耗电小于10uA,实测放电转化功率最高超越91%(5V/700mA输出时)。锂电池维护机制:过流过压过温维护。其同步Boost的原理图与二极管续流Boost比照如图1所示。

  

  图1 HT45F4M同步Boost与通用MCU二极管续流Boost比照

  由图1所造成的可见,HT45F4M与通用MCU比较,首要特色是内置互补式的PWM输出功用,经过OUTL、OUTH的PWM互补时序,别离操控NMOS、PMOS的通断,然后完成同步Boost。咱们实测过该计划的制品,功率与厂家供给的目标根本共同,与二极管Boost计划比较,1A以上大电流作业时,其功率器材发热量低,作用不同显着,功用杰出。

  3.互补式PWM的IC规划实

  现因为HT45F4M与通用MCU的首要差异是互补式的PWM输出,假如规划一颗完成互补式PWM输出的ASIC,恰当挑选具有PWM输出功用的通用MCU调配,也能够完成相似HT45F4M的功用。这种IC规划+通用MCU的计划能够广泛运用现有的很多MCU资源,更具灵敏性,本钱也有竞争力。

  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发生PWM输出,输入ASIC,经延时时刻刺进电路,发生互补式的PWM输出,此PWM输出为PWMp,PWMn两路,PWMp操控P-MOS,PWMn操控N-MOS。这两个MOS管在充电时,用于操控充电电流;在放电时可用于操控放电电压。充电时,PMOS导通的时刻越长,充电功率越大。放电时,NMOS导通的时刻越长,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的规划与仿真剖析

  咱们运用Candence IDE规划仿真了一颗ASIC,完成图2所示的互补输出,由MCU供给PWM信号,经过延时和组合逻辑完成图2所示的PWM互补输出时序。图3所示为PWM与PWMn时序的仿真成果,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的上升沿简直堆叠,PWMn上升沿滞后于PWM的下升沿。时序上与图2所示共同。

  

  图3 PWM与PWMn信号的仿真时序  图4所示为PWMn与PWMp时序的仿真成果,也是规划互补PWM输出终究需求的成果。PWMp的低电平信号被“包围在”PWMn的低电平信号中,也完成了图2所示的时序联系。这意味着“PMOS仅在NMOS关断期间注册”,因为在同步Boost的电路结构中,PMOS是低电平注册,NMOS是低电平关断。

  

  图4 PWMn与PWMp的仿真时序

  图4所示的波形一起标明,ASIC的规划完成了当NMOS关断的时分,PMOS滞后DT1时刻注册,当PMOS关断DT2时刻后,NMOS注册,这意味着“NMOS仅在PMOS关断期间注册”。可见,PMOS与NMOS都在对方关断后导通,两个管不会一起导通。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,经过PMOS管输出,所以,电路完成了同步Boost升压功用。

  3.3 开关损耗

  当NMOS关断后,在PMOS管还未导通的DT1时刻内,Boost电压经过其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,但因为MOS管开关时刻在几十纳秒以内,因而在整个导通周期内损耗不大。恰当规划ASIC的延时时刻,经过ASIC的Option Pin脚使延时时刻长度可变,并挑选适宜的MOS管,即可使DT时刻略大于PMOS管的开关时刻,确保两个MOS管不会一起导通,并削减开关损耗。

  与肖特基二极管比较,因为PMOS的导通电阻低,管压降小,然后进步了功率,理论上肖特基的压降约为0.3V,在5V/1A输出时,肖特基上糟蹋的功率约为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功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电流时导通电阻只要几十毫欧,开关时刻只要几十纳秒,所以实测成果显现同步Boost计划的功率进步显着,功率器材发热较低,与理论剖析相符。

  3.4 竞争力与本钱

  除了肖特基外,电感,导线,电路板走线都会发热,因而输出电流500mA以上时,二极管Boost的移动电源很难做到90%以上的功率,而同步Boost较简单到达,关于大容量移动电源而言,两种计划因功率发生的电池本钱不同十分大,而且同步Boost移动电源自身因发热而发生的温度上升起伏很小,因而,容量越高、电流越大的移动电源,在技能目标、本钱和用户体会三个方面,非同步Boost计划越缺少竞争力。因为不同MOS管的开关导通时刻不同,ASIC的延时时刻能够经过添加或削减延时门的数量来调理。经测算,在0.5um工艺下,不计Pad时,Layout的面积小于0.4mm^2,本钱很低。

  4. MCU选型及软件流程阐明

  运用通用MCU的PWM驱动Boost升压,完成移动电源计划,在MCU选型时,其PWM的输出频率最好在100KHz以上,不然需求很大的电感和滤波%&&&&&%,MCU应当有8bit以上的AD才能。咱们剖析过HOLTEK、海尔、义隆、Sonix、芯睿等消费电子常用的MCU材料,均有能够到达这一要求的通用MCU类型。

  移动电源软件流程首要包括三部分:主循环,充电办理,放电办理等。咱们别离运用过台湾Holtek的HT46R066、海尔的HR6P71、芯睿的MK7A22P三种MCU,完成了由MCU的PWM驱动的移动电源计划,以下流程经实践验证是可行的。

  4.1 主循环

  外部电源接入时,进行充电办理;外部负载接入时,进行放电办理。按键按下时进行LED电量显现,按键长准时翻开手电筒功用。在整个充放电过程中进行温度检测维护,在整个充电过程中坚持LED输出。放电时若超越10秒无按键,则进入到低功耗方式,封闭LED。

  4.2 充电办理

  充电办理首要功用为: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,此时以为电池充溢,用于电量显现的LED全亮。

  4.3 放电办理

  放电办理首要流程为,发生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,改动PWM的占空比,操控Boost升压的起伏,完成恒压。经过串联在输出电路上的电阻,检测电阻压降的AD值,改动PWM占空比,完成恒流输出和限流维护。假如MCU的AD位数小于10位,也可选用软件算法限流,实践测试可用,但操控电流的精度较低。

  5.结语

  相对二极管续流的非同步Boost计划,同步Boost的移动电源具有功率高的杰出长处,理论及实测都充分证明这一长处,因而它将会成为消费电子商场中移动电源的干流计划。本文提出了一种IC规划结合通用MCU完成的同步Boost计划,并进行IC规划仿真,到达预期成果。与专用%&&&&&%比较,可充分利有现有MCU资源,计划挑选灵敏、本钱也具有竞争力,信任这种方式的计划将在商场占有其一席之地。

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