大功率全集成同步 Boost 升压变换器，可优化便携式设备和电池供电应用

作者：Jing “Mirror” Yang, Senior Product Marketing Engineer, and Panyin Liu, Manager, Systems and Applications Engineering, MPS

翻译：Zhenzhen "Toffee" Jia，Technical Editor

众所周知，锂离子电池能量密度高、重量轻、无记忆效应、自放电小，在便携式应用领域中备受青睐。但是，由于大多数锂离子电池的电压范围在 4.2V (完全充电) 至 3.0V (完全放电)之间，而后级电路的输入电压会高达 12V 或更高，因此在便携式应用中需要采用升压拓扑集成电路。市面上的便携式应用（例如蓝牙音箱、快充移动电源及便携式 POS 机），所常用的 Boost 升压产品有： 带外部 MOSFET 的控制器方案，带外部二极管的非同步 Boost 升压变换器方案，或者输入/输出范围有限的升压方案。但以上解决方案，存在诸多缺点：其占用空间大，组成部件多，效率也比较低，且在噪声和可靠性方面拉低了整体产品的性能。

而 MPS 的产品 MP3432，其启动电压低至 2.7V，工作输入电压范围为 0.8V - 13V，输出电压却高达 16V。MP3432 还集成了 2 个优化的同步 MOSFET，其可调开关电流限值高达 21.5A，单节电池电压转换输出功率高达 30W、具备输入至输出直通模式，还可兼容其他各种工作模式，在 QFN（3mmx4mm）封装下具有很高的功率密度。

图1：锂离子电池便携式应用

尺寸小、功率密度高

通过采用 MPS 最新的工艺技术、先进的电路设计技术和封装技术，MP3432 集成了 6.5mΩ 和 10mΩ 低阻抗功率 MOSFET，无需使用体积大且低效的外部肖特基二极管。MP3432 在 4.2V 输入电压下可实现高达 97% 的峰值效率，在主要工作范围内效率可达 85% 以上，并且具有极好的散热性能（见图 2 和图 3）。

在 (3mmx4mmx0.9mm) QFN 封装中，MP3432 的功率密度为 40.9kW/inch3，使其成为商用升压变换器 30W 级别中功率密度最高的产品之一。而且，MP3432 采用恒定关断时间控制（COT）方式，可提供快速瞬态响应功能，减少输出电容量，从而进一步缩小了整体解决方案的尺寸。

图2： MP3432 跳频模式下的效率 vs. 负载电流

图3：MP3432 散热性能

更高的芯片性能和稳定性

在电池供电蓝牙音频应用中，不仅音频质量至关重要，电池寿命也十分关键。MP3432 中的 MODE 引脚能支持轻载跳频模式( PSM) 、强制连续导通模式（FCCM）和超音频模式（USM）。MP3432 在跳频模式下效率极高，在强制连续导通模式（FCCM）下所产生的 VOUT 纹波也非常低，并且在超音频模式（USM）下无音频噪音。

通过采用可调开关峰值电流限，MP3432 可为不同应用提供精确的过载保护。

其 ILIM 引脚上的电阻可以精确调节峰值电流限，请根据以下公式（1）计算出限流值：

(1)

其中 RILIM 为 ILIM 引脚上的电阻。MP3432 的峰值电流则是通过此电阻来进行调节的，其调节范围为 4A 至 21.5A。在每个周期内，内部电流检测电路可监测低侧 MOSFET(LS-FET)电流信号。一旦检测到电流达到设定电流限，LS-FET Q1 立即关断（见图4）。

图4：MP3432 提供的精确输入峰值电流限

可调峰值电流限能满足诸多应用的不同要求。如图 5 所示，MP3432 可以在最大功率下对输出电压进行快速充电，且当输出电压跃至较高值时，瞬态响应不会发生过冲。

测试条件：VIN = 4.2V, Vout = 4.5V/1A→15V/1A, Ilimit = 10A
图 5: MP3432 输出电压瞬态

通过将 MODE 引脚设置为低电平，MP3432 可在跳频模式（PSM）下工作。在跳频模式下，当 VIN 高于 VOUT_SET 时，MP3432自动进入直通模式，此时高侧 MOSFET（HS-FET）恒通，LS-FET 关断（见图 6）。在 VIN 值高于 VOUT_SET 时，直通模式可以防止 HS-FET 体二极管导通电流，以避免产生不必要的功率损耗。图 7 显示了没有直通模式的类似设备中，VIN 大于 VOUT_SET 时的效果，以及依靠体二极管导通电流时的效果。

测试条件：VIN = 6V→12V, Vout = 9V/1A
图 6: MP3432，具有直通模式

测试条件：VIN = 6V→12V, Vout = 9V/1A
图 7: 另一种设备，没有直通模式

直通模式对蓝牙音箱非常有用。Boost 升压变换器的输出电压必须与蓝牙音箱的音频信号直接成正比。如果音频信号很弱，输出电压必须降至较低甚至 VIN 值，才能降低功放电路的功率损耗以及节省 Boost 升压开关功率损耗。然而，传统解决方案仅支持高输出 Boost 升压开关模式。这样的话，在音频信号很弱时，功放电路效率非常低且浪费电池能量。如果在旧方案中把VOUT降低到输入VIN电压，依靠MOSFET的体二极管导通电流，其效率和散热性能也不会很高，并且在高负载电流下，还可能会发生因体二极管的温度升高而损坏功率 MOSFET 的最坏情况（见图8）。但是 MP3432 可以采用直通模式，为其提供最优效率的供电，且不存在高温烧坏芯片问题。图 9 中显示了在没有直通模式的另一个设备中，当 VOUT 降至等于 VIN 时的性能，以及体二极管工作时的性能。.

测试条件：VIN=8V, Vout=15V→8V/1A
图 8: MP3432 跳频模式中带直通模式，VOUT 下降波形图

测试条件：VIN=8V, Vout=15V→8V/1A
图 9: 另一设备 跳频模式下无直通模式，VOUT 下降波形图

结论

MPS 的产品 MP3432 是电池供电系统中用于第一级的完美之选。MP3432 可以为便携式应用电池供电系统提供 30~40W 的功率，并且在待机和空闲模式下，能最大限度地降低功率损耗，同时能在非常低的电流水平下提供很高的效率，延长电池寿命和应用运行时间。MP3432在其全负载范围以及全工作电压范围内都能实现极好的性能，是市面上便携式解决方案中效率最高、用途最广的一套产品。