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设计实例
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
图 4所示的波形同时表明，asic的设计实现了当nmos关断的时候，pmos滞后dt1时间开通，当pmos关断dt2时间后，nmos开通，这意味着 “nmos仅在pmos关断期间开通”。可见，pmos与nmos都在对方关断后导通，两个管不会同时导通。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，通过pmos管输出，于是，电路实现了同步boost升压功能。
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***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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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设计实例
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
图 4所示的波形同时表明，asic的设计实现了当nmos关断的时候，pmos滞后dt1时间开通，当pmos关断dt2时间后，nmos开通，这意味着 “nmos仅在pmos关断期间开通”。可见，pmos与nmos都在对方关断后导通，两个管不会同时导通。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，通过pmos管输出，于是，电路实现了同步boost升压功能。
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***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。
怎样制作一个pcb板
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