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

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

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(jí)電路的輸入電壓會(huì)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)?a target="_blank">集成電路。市面上的便攜式應(yīng)用（例如藍(lán)牙音箱、快充移動(dòng)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(dòng)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(gè)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(jì)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(jí)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(shí)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。

圖2： MP3432 跳頻模式下的效率 vs. 負(fù)載電流

圖3：MP3432 散熱性能

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(qǐng)根據(jù)以下公式（1）計(jì)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(gè)周期內(nèi)，內(nèi)部電流檢測(cè)電路可監(jiān)測(cè)低側(cè) MOSFET(LS-FET)電流信號(hào)。一旦檢測(cè)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(duì)輸出電壓進(jìn)行快速充電，且當(dāng)輸出電壓躍至較高值時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)發(fā)生過沖。

測(cè)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(shí)，MP3432自動(dòng)進(jìn)入直通模式，此時(shí)高側(cè) MOSFET（HS-FET）恒通，LS-FET 關(guān)斷（見圖 6）。在 VIN 值高于 VOUT_SET 時(shí)，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(shí)的效果，以及依靠體二極管導(dǎo)通電流時(shí)的效果。

測(cè)試條件：VIN = 6V→12V, Vout = 9V/1A
圖 6: MP3432，具有直通模式

測(cè)試條件：VIN = 6V→12V, Vout = 9V/1A
圖 7: 另一種設(shè)備，沒有直通模式

直通模式對(duì)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(hào)直接成正比。如果音頻信號(hào)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(hào)很弱時(shí)，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(huì)很高，并且在高負(fù)載電流下，還可能會(huì)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(gè)設(shè)備中，當(dāng) VOUT 降至等于 VIN 時(shí)的性能，以及體二極管工作時(shí)的性能。.

測(cè)試條件：VIN=8V, Vout=15V→8V/1A
圖 8: MP3432 跳頻模式中帶直通模式，VOUT 下降波形圖

測(cè)試條件：VIN=8V, Vout=15V→8V/1A
圖 9: 另一設(shè)備 跳頻模式下無直通模式，VOUT 下降波形圖

結(jié)論

MPS 的產(chǎn)品 MP3432 是電池供電系統(tǒng)中用于第一級(jí)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(shí)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(shí)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。
責(zé)任編輯：彭菁