【应用】基于高功率密度全集成BOOST转换器在蓝牙音箱上的负载断开设计

时间： 2021-05-25 来源：芯洲科技

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高功率密度全集成BOOST转换器,全集成同步BOOST升压转换器,SCT12A0,SCT12A1

随着物联网时代的到来，无线连接的可移动娱乐设备越来越为大众喜爱甚至追捧。作为该趋势的分支市场，蓝牙音箱市场迅速发展。同时，消费者的认知程度与产品要求不断提高。

当下市场的需求可以分为两个重要方面：一，外形时尚、轻便易携；二，高保真音效和较长的播放时间。第一项要求属于工业设计范畴，不在本应用笔记讨论的范围内。但是，轻便易携的市场需求限制了蓝牙音箱的整机重量。而蓝牙音箱的整机重量里，电池占最大权重，电池大小与其容量直接相关。因此，对整机重量的限制实际是限制了内置电池的容量。第二个要求中，无论是高保真的音效还是较长的播放时间，都是高功耗的电气需求，需要相对大的电池容量作为支撑。两个市场需求在产品设计中相互矛盾并制约。

为了解决上述矛盾：采用相对大的电池容量（3000mAh左右）和降低功耗的系统解决方案。在客户可接受的整机重量下，最有效的利用电池电量。

Figure 1. 蓝牙音箱结构图

对于输出功率10W以上的蓝牙音箱，功率放大器（简称PA）需要一个相对高的电压（比如12V，甚至更高）将输入音频信号进行放大并保持低于1%的失真度，因此电源系统架构上面需要在PA和锂电池之间放置BOOST升压芯片，用来将单节4.2V 的锂电池电压升压。

在BOOST停止工作的状态下，一旦存在输入电压，从输入端经电感L，再经续流管（Q2寄生体二极管）直至输出端，存在一个不可避免的电流通路。由于这个通路的存在，即使升压转换器在停止工作的状态下，输出端依然有电压存在(即输入电压)，也就是常说的负载未完全断开。这种现象会增加整个系统关机状态下的功耗。对于越来越多的电池供电的移动设备，关机状态下的功耗会大大降低一次充电下电池的续航时间，也就是消费者口中的“电池漏电”现象。因此，蓝牙音箱应用要求对BOOST进行负载完全断开设计。

Figure 2. BOOST 升压转换器

基于SCT12A0的负载断开设计

芯洲科技高功率密度全集成BOOST转换器SCT12A0，支持 2.7V到14V的宽输入电压和最大到14.6V的输出电压，功率开关管的开关电流可高达12A。SCT12A0的负载断开设计如下图Figure 3所示，在BOOST电感L1和电池正端Battery+之间加入P沟道MOSFET Q1（（简称‘PMOS’）及其驱动电路（驱动电路包括D1，R11，C4，Q2，R11和C4）。当Pwr_On信号为高时，Q2导通，Q1的门级（G）被拉低,Q1导通，VIN=VBAT；当Pwr_On信号为低时，Q2关断，Q1的门级（G）通过R11拉高到Vbat,Q1关断，VIN≠VBAT。

基于SCT12A1的负载断开设计

SCT12A1为SCT12A0的升级产品，全集成同步BOOST升压转换器。内部集成上下功率MOSFET管，导通电阻分别为13mΩ和下管11mΩ，支持 2.7V到14V的宽输入电压范围和最大到14.6V的输出电压。功率开关管的开关电流可高达12A，并可以通过外接电阻进行限流阈值的设置。该转换器转换效率高达92%的效率（ VIN=3.6V, VOUT=9V, IOUT=3A），并且通过控制输出端的PMOS实现升压转换器输出和负载电路的断开与隔离，全面满足蓝牙音箱应用中对BOOST高效率和与后级负载完全断开的要求。

同时，SCT12A1为实际应用提供输出短路保护。在检测到输出电流过流或者输出对地短路时，SCT12A1启动短路保护机制，通过打嗝工作模式最大限度地降低功耗。

Figure 4. SCT12A1输出短路打嗝保护工作模式时序

当内部上管MOSFET的过电流触发负载断开保护，SS引脚复位，升压转换器停止开关。当SS引脚再次充电达到1.2V，转换器恢复正常开关，并开通P沟道MOSFET。当故障消除后，SCT12A1自动恢复正常工作。SCT12A1的打嗝保护，用户可以通过外部引脚SS电容调节打嗝时间。关于输出短路保护的详细介绍，请参见芯洲科技应用笔记《SCT12A1输出短路保护》。

传统BOOST实现与负载断开功能的PMOS置于BOOST升压输入与电池之间的输入通路上，而基于SCT12A1的设计里PMOS位于输出通路上。由于BOOST的输出电流远小于输入电流，因此为了得到相同的转换效率，SCT12A1的设计可以选择较大等效导通阻抗的PMOS，节约成本；或者选择相同等效导通阻抗的PMOS，获得更高的转换效率。

针对常规应用的负载断开设计

Figure 5为SCT12A1针常规应用的负载断开设计。在BOOST输出端和负载端之间插入P沟道MOSFET来实现负载的完全断开。选择一个较低的导通电阻断的P沟道MOSFET Q1降低对效率的影响。P沟道MOSFET的源极需要连接到VOUT引脚。在VOUT引脚和P沟道MOSFET的源极需要连接输出电容，以维持控制回路的稳定性。

连接ENPGATEZ引脚到地，启用SCT12A1负载断开保护功能。连接到栅极Q1的PGATE具有恒定对地抽取电流能力和电阻上拉能力。SCT12A1启动时，内部电路控制P沟道MOSFET软启动以输入减小浪涌电流。当外部P沟道MOSFET栅源极电压差低于阈值电压，Q1打开，负载连接到VOUT。

同时，PMOS两端的电容（如Figure 5.中C3，C4，C5，C6，C7）,既保证了整个设计系统的稳定性，又可以根据负载情况的不同灵活选择合适的容值。一般来说，2个22µF X5R陶瓷电容可以满足绝大多数常规应用。需要注意的是，在较大容性负载（<680 µF）的情况下，可以适当增加PMOS S端电容容值，以保证系统的正常稳定启动，而对于超大容性负载（>680 µF）,则需要采用下一章节中介绍的电路设计，后文中将详细论述。

Figure 5. SCT12A1常规应用负载断开设计

在8.4V输入，12V输出以及3A负载条件下，测试波形如Figure 6 中所示：在Ext-EN为高时，PMOS打开，此时BOOST-out=12V、PMOS-out=12V，说明PMOS被正常开启；在Ext-Enable低，PMOS关断，BOOST-out缓慢泄放，PMOS-out由于负载迅速拉低，说明此时PMOS被顺利关断。但是，在超大电容负载的带载启动应用中，本设计易触发SCT12A1的短路保护机制。

Figure 6. SCT12A1启动测试波形

针对输出级大电容（>680uF）负载断开设计

如SCT12A1数据手册中介绍，SCT12A1通过控制PMOS的导通和断开对芯片过流保护。过流保护判断的依据为：上管过流或者Vout发生的过流保护会引入可听见的噪音问题。

针对输出带有超大电容的应用，推荐如Figure 7设计，引入R10，Q1，R4构成的外部Ext-EN驱动模块，保证PMOS Q2随着BOOST启动、关闭进行对应的启动关断操作。,其中R10的数值可以根据实际电路设计选择合适数值。

Figure 7. SCT12A1输出超大电容，负载断开设计

在8.4V输入、 12V输出，4700uF电容以及带0.5A负载条件下，测试波形如Figure 8 中所示：在Ext-EN为高时，PMOS打开，此时BOOST-out=12V、PMOS-out=12V，说明此时PMOS被正常开启；在Ext-Enable低，PMOS关断，BOOST-out缓慢泄放，PMOS-out由于负载迅速拉低，说明此时PMOS被顺利关断。

Figure 8. SCT12A1超大输出电容，启动测试波形

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同步升压DCDC选型参考，最小输入电压2.7V，最大输入电压20V，输出电压4.5V-21V ，最高15A的可编程开关峰值电流，开关频率范围：200kHz～2.2MHz

产品型号	品类	Package	Switch Freq (Max)（KHz）	Switch Freq (Min)（KHz）	Iq Typical（mA）	Vout (Max)（V）	Vout (Min)（V）	Vin (Max) (V)	Vin (Min)（V）	控制方式
SCT1271FQAR	同步升压DCDC转换器	QFN-11	2200	200	0.15	12.6	4.5	12	2.7	PCM