立綺RT4813 Boost轉(zhuǎn)換器——鋰離子電池嚴(yán)格升壓要求下的最佳選擇

鋰離子電池的可用電壓范圍一般位于2.5V~4.3V之間，磷酸鐵鋰離子電池的可用電壓范圍則要低些（2V~3.6V），如果采用2~3節(jié)堿性電池為應(yīng)用供電，可用電壓范圍的最低端就可以延伸到大約1.8V，對(duì)于這些應(yīng)用環(huán)境中的升壓要求，RT4813可能就是最佳的選擇之一：它的功能是升壓，輸入電壓范圍在1.8V~5.5V之間，輸出電壓范圍也與此相同，而電流負(fù)載能力則確保其最大值至少為3.1A，這個(gè)數(shù)據(jù)是在3.6V轉(zhuǎn)5V的情況下給出來的，相信可以滿足很多應(yīng)用的需求。

作為一款同步架構(gòu)的Boost轉(zhuǎn)換器，RT4813的應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)潔：

而豐富的特性則隱藏在此簡(jiǎn)單的表象之下，值得我們花些時(shí)間來對(duì)其進(jìn)行解讀。

RT4813的控制模式

RT4813的控制模式是CMCOT，換成中文來解釋，意即“電流模式+COT模式”。

電流模式的特征是電感電流直接受到輸出誤差的控制，可以快速響應(yīng)負(fù)載的電流需求變化，但是其響應(yīng)過程需要受到固定時(shí)鐘節(jié)拍的同步，這又降低了它的響應(yīng)速度。

COT是“固定導(dǎo)通時(shí)間”的意思，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間是固定的，截止時(shí)間則隨著負(fù)載的變化而變化，只要輸出電壓的反饋部分低于參考電壓，一次新的導(dǎo)通過程就可馬上發(fā)生，輸出電壓的下降可以得到及時(shí)彌補(bǔ)，響應(yīng)速度非?？欤m合快速變化的負(fù)載的需要，輕載的效率還很高。

CMCOT將這兩種模式的特性結(jié)合在一起，好的地方得到加強(qiáng)，不足的地方得到彌補(bǔ)，只要輸出電壓低于設(shè)定電壓，它對(duì)電感電流的要求就會(huì)提升；只要電感電流達(dá)不到要求的水平，新的導(dǎo)通過程就會(huì)及時(shí)發(fā)生，迅速把電感電流拉上去。如果一次導(dǎo)通過程還不夠，短暫的截止時(shí)間以后又可開始第二次導(dǎo)通，直至滿足負(fù)載需要為止。

RT4813的啟動(dòng)過程

Boost電路的啟動(dòng)過程是很難控制的，輸入端和輸出端間存在的壓差會(huì)自然帶來大電流沖擊的結(jié)果，傳統(tǒng)上來講它是不可控的。

為了解決此問題，RT4813導(dǎo)入了線性限流措施，它會(huì)在Vout < Vin期間進(jìn)入線性恒流狀態(tài)，電流以受到限制的速度流到輸出端，避免了輸出電容自然充電所帶來的大電流沖擊，而且此電流的大小還是可以進(jìn)行選擇的，最大值為2A，最小值為0.5A，共有4個(gè)檔位可選。

對(duì)輸出端的線性充電過程以輸出電壓的升高為成功的標(biāo)志，待兩處電壓基本相當(dāng)以后，RT4813即可進(jìn)入軟起動(dòng)狀態(tài)，以適當(dāng)?shù)乃俣劝演敵鲭妷禾嵘皆O(shè)定好的目標(biāo)電壓，然后轉(zhuǎn)入正常的工作狀態(tài)。如果線性充電過程不成功（這很有可能是由于比較重的負(fù)載的存在造成的），RT4813將自動(dòng)加入一次更大電流的線性充電過程。如果第二次充電仍然不成功，RT4813就會(huì)進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)，等待用戶介入解決問題。

上述的線性充電過程和軟啟動(dòng)過程都是有時(shí)間限制的，預(yù)設(shè)的目標(biāo)必須在限定的時(shí)間內(nèi)達(dá)成，超時(shí)以后就可以判定為故障了。關(guān)于這部分的做法，規(guī)格書用流程圖對(duì)此進(jìn)行了說明：

而進(jìn)入哪種狀態(tài)的判斷指標(biāo)則列入如下所示的表格中：

逐周期過流保護(hù)與輸出平均電流限制

CMCOT控制架構(gòu)的電流檢測(cè)點(diǎn)是位于續(xù)流管中的，此信號(hào)既會(huì)進(jìn)入控制回路中，也將被用作限流電路的輸入信號(hào)，此電流的增大或是減小完全取決于主開關(guān)的導(dǎo)通次數(shù)或是其時(shí)長(zhǎng)的變化。

無論是在軟起動(dòng)階段還是正常的工作階段，進(jìn)入續(xù)流管中的電感電流都是有限制的，而軟起動(dòng)階段的電流限制是可調(diào)的，正常工作階段則是不可調(diào)的，它們的最大值是6A。

不同的應(yīng)用對(duì)Boost轉(zhuǎn)換器輸出電流能力的要求是不同的。對(duì)于確定的應(yīng)用，輸出電流的上限可以被很明確地確定下來，如果實(shí)際的負(fù)載超出了這一限制，很有可能就是有問題發(fā)生了。想想那些和連接器端口連接在一起的轉(zhuǎn)換器輸出可能遇到的問題，你就能知道輸出電流的限制有多重要了。所以，對(duì)于輸出電流的大小最好是有一個(gè)限制，這樣就可以避免不當(dāng)狀況的發(fā)生帶來意外的問題。RT4813對(duì)輸出電流的限制可以在550mA~3100mA之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，而這種限制是對(duì)電流平均的限制，瞬時(shí)發(fā)生的大電流不在此限制中，可以包容負(fù)載的突然變化。當(dāng)RT4813的負(fù)載發(fā)生大的階躍變化時(shí)，短時(shí)的過流情況也可能發(fā)生，這時(shí)需要考慮此機(jī)制對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)過程的影響。

RT4813的電磁兼容性改善措施

以開關(guān)切換模式工作的Boost轉(zhuǎn)換器存在電磁輻射問題是必然的，它們的來源有兩個(gè)：陡峭的電流、電壓切換過程和反復(fù)出現(xiàn)的電流、電壓脈沖。通過降低開關(guān)切換的速度可以降低前者的影響，但也同時(shí)導(dǎo)致功率損耗的加大。以固定的頻率和占空比出現(xiàn)的電流、電壓脈沖含有固定的頻譜分布，輻射能量就會(huì)在固定的頻點(diǎn)上集中。通過改變頻率和占空比可將輻射能量的分布平均化，從而帶來降低輻射水平的效果。

RT4813的開關(guān)驅(qū)動(dòng)能力是可調(diào)的，其占空比也可以處于自動(dòng)的微調(diào)狀態(tài)中，因而可以達(dá)成降低輻射、頻譜展寬的效果。下面的兩幅圖形是某測(cè)試板的展頻模式未開時(shí)的輻射測(cè)試結(jié)果：

我們可以看到某些地方的數(shù)據(jù)是不太令人滿意的，而下面兩圖的數(shù)據(jù)就得到了改善，這是展頻模式開啟以后的效果：

這些結(jié)果都是在輸入電壓為3.7V、負(fù)載功率為1W的條件下測(cè)得的。連續(xù)的兩幅圖形，前一幅為水平極化測(cè)試結(jié)果，后一幅為垂直極化測(cè)試結(jié)果。

在實(shí)際的應(yīng)用中，不同的PCB布局可以導(dǎo)致完全不同的輻射測(cè)試結(jié)果，良好的設(shè)計(jì)對(duì)于降低輻射、縮短調(diào)測(cè)時(shí)間和成本都具有極其重要的作用，希望你能在實(shí)際的工作中把重點(diǎn)放在這樣的地方。

RT4813的控制方法

前文中反復(fù)提及RT4813的很多參數(shù)、模式都是可以選擇的，要想實(shí)現(xiàn)這些選擇，你需要使用具有I2C接口的MCU與之連接才可進(jìn)行。有了這個(gè)基礎(chǔ)以后，你就可以將代表指令的數(shù)據(jù)寫入其內(nèi)部寄存器中了，器件此后的運(yùn)作將在新的參數(shù)下進(jìn)行。如果你沒有做這些工作，RT4813也會(huì)運(yùn)作，但是以預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行的，你可以在規(guī)格書中找到這些預(yù)設(shè)值，同時(shí)也能看到參數(shù)、模式的調(diào)節(jié)方法。

RT4813應(yīng)用實(shí)例

上面的電路簡(jiǎn)圖是一個(gè)案例，RT4813被加入由RT1711和RT9485組成的移動(dòng)電源方案中（移動(dòng)電源應(yīng)用也正是設(shè)計(jì)RT4813的初始目標(biāo)），為以RT9485為核心的移動(dòng)電源增添了一個(gè)符合USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)的雙向接口，RT4813為其C型接口提供5V輸出，RT1711則提供了完整的接口協(xié)議控制支持。我在過去的一年中一直使用這樣的移動(dòng)電源為我的出行服務(wù)，那是一臺(tái)樣機(jī)，但一直工作得非常好，下圖是它實(shí)際的樣子：

轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology。