SCT12A0,SCT12A1针对蓝牙音箱应用的负载断开设计

发布时间:2021-12-29
作者:Silicon Content
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1 蓝牙音箱应用的特殊要求

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。

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

2 基于SCT12A0的负载断开设计

SCT高功率密度全集成BOOST转换器SCT12A0,支持 2.7V14V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12ASCT12A0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D1R11C4Q2R11C4)。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,VINVBAT


Figure 3. SCT12A0 负载断开设计电路


3 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 2.7V14V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。

3.1 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Q1PGATE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.C3C4C5C6C7,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,222µF 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

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=12VPMOS-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

3.2 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R10Q1R4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


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=12VPMOS-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


4 引用

1.  SCT12A1 产品规格书

2.  SCT12A0 产品规格书