一种基于MCU的同步Boost的移动电源设计.doc

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mcuht45f4m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1ht45f4m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3.2asic的设计与仿真分析我们使用candenceide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