大功率全集成同步Boost升壓變換器,可優(yōu)化便攜式設(shè)備和電池供電應(yīng)用
發(fā)布時間:2020-02-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】眾所周知,鋰離子電池能量密度高、重量輕、無記憶效應(yīng)、自放電小,在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域中備受青睞。但是,由于大多數(shù)鋰離子電池的電壓范圍在 4.2V (完全充電) 至 3.0V (完全放電)之間,而后級電路的輸入電壓會高達(dá) 12V 或更高,因此在便攜式應(yīng)用中需要采用升壓拓?fù)浼呻娐贰J忻嫔系谋銛y式應(yīng)用(例如藍(lán)牙音箱、快充移動電源及便攜式 POS 機(jī)),所常用的 Boost 升壓產(chǎn)品有: 帶外部 MOSFET 的控制器方案,帶外部二極管的非同步 Boost 升壓變換器方案,或者輸入/輸出范圍有限的升壓方案。但以上解決方案,存在諸多缺點(diǎn):其占用空間大,組成部件多,效率也比較低,且在噪聲和可靠性方面拉低了整體產(chǎn)品的性能。
而 MPS 的產(chǎn)品 MP3432,其啟動電壓低至 2.7V,工作輸入電壓范圍為 0.8V - 13V,輸出電壓卻高達(dá) 16V。MP3432 還集成了 2 個優(yōu)化的同步 MOSFET,其可調(diào)開關(guān)電流限值高達(dá) 21.5A,單節(jié)電池電壓轉(zhuǎn)換輸出功率高達(dá) 30W、具備輸入至輸出直通模式,還可兼容其他各種工作模式,在 QFN(3mmx4mm)封裝下具有很高的功率密度。
圖1:鋰離子電池便攜式應(yīng)用
尺寸小、功率密度高
通過采用 MPS 最新的工藝技術(shù)、先進(jìn)的電路設(shè)計技術(shù)和封裝技術(shù),MP3432 集成了 6.5mΩ 和 10mΩ 低阻抗功率 MOSFET,無需使用體積大且低效的外部肖特基二極管。MP3432 在 4.2V 輸入電壓下可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 97% 的峰值效率,在主要工作范圍內(nèi)效率可達(dá) 85% 以上,并且具有極好的散熱性能(見圖 2 和圖 3)。
在 (3mmx4mmx0.9mm) QFN 封裝中,MP3432 的功率密度為 40.9kW/inch3,使其成為商用升壓變換器 30W 級別中功率密度最高的產(chǎn)品之一。而且,MP3432 采用恒定關(guān)斷時間控制(COT)方式,可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)功能,減少輸出電容量,從而進(jìn)一步縮小了整體解決方案的尺寸。
更高的芯片性能和穩(wěn)定性
在電池供電藍(lán)牙音頻應(yīng)用中,不僅音頻質(zhì)量至關(guān)重要,電池壽命也十分關(guān)鍵。MP3432 中的 MODE 引腳能支持輕載跳頻模式( PSM) 、強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式(FCCM)和超音頻模式(USM)。MP3432 在跳頻模式下效率極高,在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式(FCCM)下所產(chǎn)生的 VOUT 紋波也非常低,并且在超音頻模式(USM)下無音頻噪音。
通過采用可調(diào)開關(guān)峰值電流限,MP3432 可為不同應(yīng)用提供精確的過載保護(hù)。
其 ILIM 引腳上的電阻可以精確調(diào)節(jié)峰值電流限,請根據(jù)以下公式(1)計算出限流值:
(1)
其中 RILIM 為 ILIM 引腳上的電阻。MP3432 的峰值電流則是通過此電阻來進(jìn)行調(diào)節(jié)的,其調(diào)節(jié)范圍為 4A 至 21.5A。在每個周期內(nèi),內(nèi)部電流檢測電路可監(jiān)測低側(cè) MOSFET(LS-FET)電流信號。一旦檢測到電流達(dá)到設(shè)定電流限,LS-FET Q1 立即關(guān)斷(見圖4)。
圖4:MP3432 提供的精確輸入峰值電流限
可調(diào)峰值電流限能滿足諸多應(yīng)用的不同要求。如圖 5 所示,MP3432 可以在最大功率下對輸出電壓進(jìn)行快速充電,且當(dāng)輸出電壓躍至較高值時,瞬態(tài)響應(yīng)不會發(fā)生過沖。
測試條件:VIN = 4.2V, Vout = 4.5V/1A→15V/1A, Ilimit = 10A
圖 5: MP3432 輸出電壓瞬態(tài)
通過將 MODE 引腳設(shè)置為低電平,MP3432 可在跳頻模式(PSM)下工作。在跳頻模式下,當(dāng) VIN 高于 VOUT_SET 時,MP3432自動進(jìn)入直通模式,此時高側(cè) MOSFET(HS-FET)恒通,LS-FET 關(guān)斷(見圖 6)。在 VIN 值高于 VOUT_SET 時,直通模式可以防止 HS-FET 體二極管導(dǎo)通電流,以避免產(chǎn)生不必要的功率損耗。圖 7 顯示了沒有直通模式的類似設(shè)備中,VIN 大于 VOUT_SET 時的效果,以及依靠體二極管導(dǎo)通電流時的效果。
直通模式對藍(lán)牙音箱非常有用。Boost 升壓變換器的輸出電壓必須與藍(lán)牙音箱的音頻信號直接成正比。如果音頻信號很弱,輸出電壓必須降至較低甚至 VIN 值,才能降低功放電路的功率損耗以及節(jié)省 Boost 升壓開關(guān)功率損耗。然而,傳統(tǒng)解決方案僅支持高輸出 Boost 升壓開關(guān)模式。這樣的話,在音頻信號很弱時,功放電路效率非常低且浪費(fèi)電池能量。如果在舊方案中把VOUT降低到輸入VIN電壓,依靠MOSFET的體二極管導(dǎo)通電流,其效率和散熱性能也不會很高,并且在高負(fù)載電流下,還可能會發(fā)生因體二極管的溫度升高而損壞功率 MOSFET 的最壞情況(見圖8)。但是 MP3432 可以采用直通模式,為其提供最優(yōu)效率的供電,且不存在高溫?zé)龎男酒瑔栴}。圖 9 中顯示了在沒有直通模式的另一個設(shè)備中,當(dāng) VOUT 降至等于 VIN 時的性能,以及體二極管工作時的性能。.
結(jié)論
MPS 的產(chǎn)品 MP3432 是電池供電系統(tǒng)中用于第一級的完美之選。MP3432 可以為便攜式應(yīng)用電池供電系統(tǒng)提供 30~40W 的功率,并且在待機(jī)和空閑模式下,能最大限度地降低功率損耗,同時能在非常低的電流水平下提供很高的效率,延長電池壽命和應(yīng)用運(yùn)行時間。MP3432在其全負(fù)載范圍以及全工作電壓范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)極好的性能,是市面上便攜式解決方案中效率最高、用途最廣的一套產(chǎn)品。
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