大功率全集成同步Boost升壓變換器 可優化便攜式設備和電池供電應用

大功率全集成同步 Boost 升壓變換器，可優化便攜式設備和電池供電應用

眾所周知，鋰離子電池能量密度高、重量輕、無記憶效應、自放電小，在便攜式應用領域中備受青睞。但是，由于大多數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 12V 或更高，因此在便攜式應用中需要采用升壓拓撲集成電路。市面上的便攜式應用（例如藍牙音箱、快充移動電源及便攜式 POS 機），所常用的 Boost 升壓產品有： 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：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品的性能。

而 MPS 的產品 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 16V。MP3432 還集成了 2 個優化的同步 MOSFET，其可調開關電流限值高達 21.5A，單節電池電壓轉換輸出功率高達 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用

尺寸小、功率密度高

通過采用 MPS 最新的工藝技術、先進的電路設計技術和封裝技術，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 輸入電壓下可實現高達 97% 的峰值效率，在主要工作范圍內效率可達 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品之一。而且，MP3432 采用恒定關斷時間控制（COT）方式，可提供快速瞬態響應功能，減少輸出電容量，從而進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. 負載電流

圖3：MP3432 散熱性能

更高的芯片性能和穩定性

在電池供電藍牙音頻應用中，不僅音頻質量至關重要，電池壽命也十分關鍵。MP3432 中的 MODE 引腳能支持輕載跳頻模式( PSM) 、強制連續導通模式（FCCM）和超音頻模式（USM）。MP3432 在跳頻模式下效率極高，在強制連續導通模式（FCCM）下所產生的 VOUT 紋波也非常低，并且在超音頻模式（USM）下無音頻噪音。

通過采用可調開關峰值電流限，MP3432 可為不同應用提供精確的過載保護。

其 ILIM 引腳上的電阻可以精確調節峰值電流限，請根據以下公式（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行調節的，其調節范圍為 4A 至 21.5A。在每個周期內，內部電流檢測電路可監測低側 MOSFET(LS-FET)電流信號。一旦檢測到電流達到設定電流限，LS-FET Q1 立即關斷（見圖4）。

圖4：MP3432 提供的精確輸入峰值電流限

可調峰值電流限能滿足諸多應用的不同要求。如圖 5 所示，MP3432 可以在最大功率下對輸出電壓進行快速充電，且當輸出電壓躍至較高值時，瞬態響應不會發生過沖。

測試條件：VIN = 4.2V, Vout = 4.5V/1A→15V/1A, Ilimit = 10A
圖 5: MP3432 輸出電壓瞬態

通過將 MODE 引腳設置為低電平，MP3432 可在跳頻模式（PSM）下工作。在跳頻模式下，當 VIN 高于 VOUT_SET 時，MP3432自動進入直通模式，此時高側 MOSFET（HS-FET）恒通，LS-FET 關斷（見圖 6）。在 VIN 值高于 VOUT_SET 時，直通模式可以防止 HS-FET 體二極管導通電流，以避免產生不必要的功率損耗。圖 7 顯示了沒有直通模式的類似設備中，VIN 大于 VOUT_SET 時的效果，以及依靠體二極管導通電流時的效果。

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

測試條件：VIN = 6V→12V, Vout = 9V/1A
圖 7: 另一種設備，沒有直通模式

直通模式對藍牙音箱非常有用。Boost 升壓變換器的輸出電壓必須與藍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省 Boost 升壓開關功率損耗。然而，傳統解決方案僅支持高輸出 Boost 升壓開關模式。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的體二極管導通電流，其效率和散熱性能也不會很高，并且在高負載電流下，還可能會發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，為其提供最優效率的供電，且不存在高溫燒壞芯片問題。圖 9 中顯示了在沒有直通模式的另一個設備中，當 VOUT 降至等于 VIN 時的性能，以及體二極管工作時的性能。.

測試條件：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

測試條件：VIN=8V, Vout=15V→8V/1A
圖 9: 另一設備 跳頻模式下無直通模式，VOUT 下降波形圖

結論

MPS 的產品 MP3432 是電池供電系統中用于第一級的完美之選。MP3432 可以為便攜式應用電池供電系統提供 30~40W 的功率，并且在待機和空閑模式下，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，延長電池壽命和應用運行時間。MP3432在其全負載范圍以及全工作電壓范圍內都能實現極好的性能，是市面上便攜式解決方案中效率最高、用途最廣的一套產品。
責任編輯：彭菁