结合IC设计和通用MCU实现同步Boost移动电源
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
图4所示为PWMn与PWMp时序的仿真结果，也是设计互补PWM输出最终需要的结果。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
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的输出频率最好在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，但控制电流的精度较低。
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。
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