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1.引言 隨著iphone、ipad帶動的全球智能手機、平板的風靡一時，人手一部智能手機已經不再是遙遠的夢想，手機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，這些數碼設備同是也是一種時尚體現，對輕巧纖薄的完美外形之極致追求與電池的續航能力成為一對矛盾。為了追求完美，iphone、ipad更是設計出一體化用戶不可拆卸機身，電池無法拆卸，于是移動電源成為了數碼后備電源的必須品，其市場需求隨著智能設備的發展迅速擴大。 2.方案分析 2.1 技術規格與方案比較 當前適用于手機平板的主流移動電源的規格為： (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IC＋ASIC或MCU”實現，5V/500mA/1A/2A輸出由鋰電池Boost升壓加反饋控制實現。在移動電壓的方案中，最關鍵的指標和技術難點是Boost升壓輸出的效率，因為鋰電池充電電源一般來自220V市電充電器，不需要特別強調效率，而Boost升壓是將電池的電能輸出給手機、平板，充電效率特別重要。以10000mA時的移動電源為例，90%的效率與70%效率的Boost充電電路，輸出電能相差2000mAh，從用戶體驗來看，效率低的移動電源發熱嚴重，安全隱患也較大。Boost電路主要有兩種，一種為二極管續流Boost，電路相對簡單，一種為同步Boost，電路相對復雜，對控制時序的精度要求高，過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流的Boost方案，價格戰非常劇烈，因此，高端廠家開始轉移到同步Boost方案。 2.2 專用MCU的同步Boost方案 移動電源專用MCU HT45F4M的方案是當前市場廣泛采用的同步Boost方案，具有電路簡潔，效率高的特點，原廠提供的技術指標為：靜態耗電小于10uA，實測放電轉換效率最高超過91%(5V/700mA輸出時)。鋰電池保護機制：過流過壓過溫保護。其同步Boost的原理圖與二極管續流Boost對比如圖1所示。 圖1 HT45F4M同步Boost與通用MCU二極管續流Boost對比 由圖1所致可見，HT45F4M與通用MCU相比，主要特點是內置互補式的PWM輸出功能，通過OUTL、OUTH的PWM互補時序，分別控制NMOS、PMOS的通斷，從而實現同步Boost。我們實測過該方案的成品，效率與廠家提供的指標基本一致，與二極管Boost方案相比，1A以上大電流工作時，其功率器件發熱量低，效果差別明顯，性能良好。 3.互補式PWM的IC設計實 現由于HT45F4M與通用MCU的主要差異是互補式的PWM輸出，如果設計一顆實現互補式PWM輸出的ASIC，適當選擇具有PWM輸出功能的通用MCU搭配，也可以實現類似HT45F4M的功能。這種IC設計+通用MCU的方案可以廣泛利用現有的大量MCU資源，更具靈活性，成本也有競爭力。 3.1 結構框圖與時序圖 互補式的PWM的結構框圖與時序圖如圖2所示，由通用MCU產生PWM輸出，輸入ASIC，經延時時間插入電路，產生互補式的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MOS管在充電時，用于控制充電電流；在放電時可用于控制放電電壓。充電時，PMOS導通的時間越長，充電功率越大。放電時，NMOS導通的時間越長，放電功率越大。 圖2 互補式的PWM的結構框圖與時序圖 3.2 ASIC的設計與仿真分析 我們使用Candence IDE設計仿真了一顆ASIC，實現圖2所示的互補輸出，由MCU提供PWM信號，通過延時和組合邏輯實現圖2所示的PWM互補輸出時序。圖3所示為PWM與PWMn時序的仿真結果，圖中電壓峰值低者為來自MCU的PWM信號，電壓峰值高者為PWMn信號，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。時序上與圖2所示一致。 圖3 PWM與PWMn信號的仿真時序 圖4所示為PWMn與PWMp時序的仿真結果，也是設計互補PWM輸出最終需要的結果。PWMp的低電平信號被“包圍在”PWMn的低電平信號中，也實現了圖2所示的時序關系。這意味著“PMOS僅在NMOS關斷期間開通”，因為在同步Boost的電路結構中，PMOS是低電平開通，NMOS是低電平關斷。 圖4 PWMn與PWMp的仿真時序 圖4所示的波形同時表明，ASIC的設計實現了當NMOS關斷的時候，PMOS滯后DT1時間開通，當PMOS關斷DT2時間后，NMOS開通，這意味著“NMOS僅在PMOS關斷期間開通”。可見，PMOS與NMOS都在對方關斷后導通，兩個管不會同時導通。當NMOS導通時，電能轉化為電感線圈的磁場能，當NMOS關斷后，磁場能轉化為電能，與電池電壓疊加，通過PMOS管輸出，于是，電路實現了同步Boost升壓功能。 3.3 開關損耗 當NMOS關斷后，在PMOS管還未導通的DT1時間內，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管開關時間在幾十納秒以內，因此在整個導通周期內損耗不大。恰當設計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管的開關時間，保證兩個MOS管不會同時導通，并減少開關損耗。 與肖特基二極管相比，由于PMOS的導通電阻低，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，肖特基上浪費的功率約為0.3V*1A=0.3w，約為輸出功率的6%，這樣，若不計MOS管的導通電阻與開關損耗，理論上同步Boost效率比二極管續流高約6%，常用的低壓功率NOS管如8205A或P2804NVG在1A電流時導通電阻只有幾十毫歐，開關時間只有幾十納秒，所以實測結果顯示同步Boost方案的效率提高明顯，功率器件發熱較低，與理論分析相符。 3.4 競爭力與成本 除了肖特基外，電感，導線，電路板走線都會發熱，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較容易達到，對于大容量移動電源而言，兩種方案因效率產生的電池成本差別非常大，并且同步Boost移動電源本身因發熱而產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，在技術指標、成本和用戶體驗三個方面，非同步Boost方案越缺乏競爭力。由于不同MOS管的開關導通時間不同，ASIC的延時時間可以通過增加或減少延時門的數量來調節。經測算，在0.5um工藝下，不計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驅動Boost升壓，實現移動電源方案，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應當有8bit以上的AD能力。我們分析過HOLTEK、海爾、義隆、Sonix、芯睿等消費電子常用的MCU資料，均有可以達到這一要求的通用MCU型號。 移動電源軟件流程主要包含三部分：主循環，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，實現了由MCU的PWM驅動的移動電源方案，以下流程經實際驗證是可行的。 4.1 主循環 外部電源接入時，進行充電管理；外部負載接入時，進行放電管理。按鍵按下時進行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行溫度檢測保護，在整個充電過程中保持LED輸出。放電時若超過10秒無按鍵，則進入到低功耗模式，關閉LED。 4.2 充電管理 充電管理主要功能為：當電池電壓小于3V時，進行涓流(1/10C)充電；當電池電壓在3V-4.2V時進行恒流充電。當電池電壓大于4.2V時，進行恒壓充電直至充電電流小于1/10C，此刻認為電池充滿，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，產生PWM信號驅動Boost升壓，由MCU的AD Pin檢測輸出電壓，當輸出電壓低于5V或高于時，改變PWM的占空比，控制Boost升壓的幅度，實現恒壓。通過串聯在輸出電路上的電阻，檢測電阻壓降的AD值，改變PWM占空比，實現恒流輸出和限流保護。如果MCU的AD位數小于10位，也可采用軟件算法限流，實際測試可用，但控制電流的精度較低。 5.結語 相對二極管續流的非同步Boost方案，同步Boost的移動電源具有效率高的突出優點，理論及實測都充分證明這一優點，因此它將會成為消費電子市場中移動電源的主流方案。本文提出了一種IC設計結合通用MCU實現的同步Boost方案，并進行IC設計仿真，達到預期結果。與專用IC相比，可充分利有現有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。 |
