移動(dòng)通信終端電源管理設(shè)計(jì)原理
摘要：移動(dòng)通信終端產(chǎn)品在我們的日常生活中已經(jīng)非常普及，因此，其設(shè)計(jì)的安全性問(wèn)題顯得尤為重要。就移動(dòng)終端產(chǎn)品安全隱患最大的地方——電源管理設(shè)計(jì)，提出了一些設(shè)計(jì)理念以提高產(chǎn)品的安全性。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信終端；電源管理；可充電鋰離子電池
0 引言
移動(dòng)通信終端產(chǎn)品如GSM手機(jī)、CDMA手機(jī)及PHS小靈通電話已經(jīng)深入普及到我們的日常生活中，促進(jìn)了中國(guó)電信事業(yè)的發(fā)展，也為我們的生活帶來(lái)了方便與快捷。但同時(shí)，由于一些移動(dòng)終端廠商的設(shè)計(jì)缺陷，多次出現(xiàn)了手機(jī)爆炸傷人事件，而造成爆炸的主要原因在于電源管理部分設(shè)計(jì)有缺陷或設(shè)計(jì)存在不完善的地方。
與其他現(xiàn)有電池相比，可充電鋰離子電池具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，這使它們成為更適合于便攜式應(yīng)用的電源。它們可以提供更高的能量密度（最高達(dá)200W·h/kg或300～400W·h/L，分別是Ni/Cd或者Ni/MeH電池的2.5倍和1.5倍）和更高的電池電壓(碳陽(yáng)極電池為4.1V，石墨陽(yáng)極電池為4.2V)。它們具有無(wú)記憶效應(yīng)，自放電率小，可快速充放電及更高的充放電次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
鋰離子電池的更高化學(xué)能量密度和更高電池電壓使得我們可以為移動(dòng)終端產(chǎn)品應(yīng)用制造出更小和更輕的電池，而更輕和更小的電源對(duì)目前中國(guó)移動(dòng)通信終端產(chǎn)品追求最小尺寸來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。要想充分利用電池容量或延長(zhǎng)電池壽命，必須極其嚴(yán)格地控制充電參數(shù)。
鑒于鋰離子可充電電池的上述優(yōu)點(diǎn)，本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)高效、安全的鋰離子可充電電池管理電路。
1 移動(dòng)通信終端產(chǎn)品鋰離子電源管理的原理及設(shè)計(jì)
鋰離子電源管理的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)鋰離子電池的特性來(lái)進(jìn)行的。鋰離子電池的安全性能及供電性能主要體現(xiàn)在其充放電參數(shù)的控制上。圖1為鋰電池電源管理原理圖。該圖由控制芯片和外圍電路組成。接下來(lái)，我們就圖1從鋰電池放電、充電兩個(gè)方面來(lái)探討如何實(shí)現(xiàn)鋰電池的管理。
圖1鋰離子電池電源管理電路
1.1 放電工作原理
電池過(guò)放可能會(huì)給電池帶來(lái)災(zāi)難性的后果，特別是大電流過(guò)放或反復(fù)過(guò)放，對(duì)電池的影響更大。一般而言，過(guò)放電會(huì)使電池內(nèi)壓升高，正負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復(fù)，容量會(huì)有明顯衰減。鋰離子電源管理電路的功能之一就是為了保護(hù)鋰電池不至于過(guò)放。
鋰電池的正常工作電壓為2.575～4.2V。當(dāng)電池電壓在此范圍內(nèi)，管理電路將MOSFET管S4打開(kāi)，在電池(CELL)電壓與BATT＋之間建立低阻通道，有利于電流從電池流向手機(jī)負(fù)載。在此情況下，過(guò)放就體現(xiàn)為輸出電流過(guò)大。在整個(gè)輸出過(guò)程中，電源管理電路不斷地檢測(cè)從電池輸出到負(fù)載的電流。當(dāng)電池輸出電流超過(guò)通常的保護(hù)值3.5A的時(shí)候，手機(jī)短路保護(hù)電路開(kāi)始工作，關(guān)閉S4，切斷電池與BATT＋的連接。
當(dāng)電池持續(xù)放電到電池電壓低于文獻(xiàn)[1]規(guī)定的放電終止電壓2.375V以下時(shí)，則屬于電壓過(guò)放。此時(shí)，圖1中的手機(jī)低電壓及短路保護(hù)電路開(kāi)始工作，同電流過(guò)放一樣，關(guān)閉S4，切斷電池與BATT＋的連接達(dá)到保護(hù)鋰電池的目的。
1.2 充電工作原理
充電管理電路在對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，更是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，既要保證鋰電池能夠充滿，又要保證鋰電池的性能，最重要的是要保證鋰電池不能過(guò)充。如果鋰電池在充電過(guò)程中充電電流過(guò)大，或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生的氧氣來(lái)不及被消耗，就可能造成內(nèi)壓升高，電池變形，漏液等不良現(xiàn)象。同時(shí)，其電性能也會(huì)顯著降低。
整個(gè)充電電路應(yīng)該具有以下幾種充電模式：
——低電壓預(yù)充電模式；
——全速充電模式；
——涓流充電模式；
——頂端截止、脈沖充電模式；
——充電截止模式。
1.2.1 低電壓預(yù)充電模式
當(dāng)電池電壓低于3.0V時(shí)，電源管理電路進(jìn)入低電壓預(yù)充電模式。當(dāng)電池極度過(guò)放時(shí)，為了防止過(guò)量的充電電流對(duì)電池性能造成損傷，充電電路應(yīng)該采取漸進(jìn)的充電方式。
對(duì)于一塊極度過(guò)放的，電壓已低于0.7V的鋰電池，電源管理電路將提供預(yù)充電涓流給電池。此時(shí)S1關(guān)閉，充電器通過(guò)R1提供電流給管腳Vdect，充電器提供電流的大小完全由R1決定，整個(gè)充電器幾乎工作在無(wú)負(fù)載情況下。這種充電模式甚至可以對(duì)電壓已經(jīng)為0V的電池進(jìn)行充電；當(dāng)電池電壓高于0.7V低于1.98V時(shí)，外部S1及S2工作，電源管理電路可以以更高的電流對(duì)電池進(jìn)行充電。但是，此時(shí)三極管S1的功耗檢測(cè)電路還沒(méi)有工作，必須限制其功耗低于800mW，以免燒毀S1；當(dāng)電池電壓高于1.98V低于3.0V時(shí)，整個(gè)電源管理電路都正常工作，此時(shí)S1的控制電路使S1以較高的電流，但遠(yuǎn)低于全速充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電，該電流一般超過(guò)100mA。
1.2.2 全速充電模式
當(dāng)電池電壓高于3.0V時(shí)，預(yù)充電模式結(jié)束，進(jìn)入全速充電模式。此時(shí)，電源管理電路將S1及S2打開(kāi)，并使S1工作在飽和模式，充電器提供全速充電電流給電池充電。但是，電源管理電路將限制最大充電電流小于1.5A。
這種充電模式對(duì)充電器也有一定的要求，要求其實(shí)現(xiàn)限流輸出。這樣做的目的是便于移動(dòng)通信終端廠商，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品的定義，選擇不同的充電電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體鋰電池快速有效的充電。在典型應(yīng)用中，一般要求充電器提供的輸出電流限制在1A以內(nèi)，具體的電流可以根據(jù)所用鋰電池廠商推薦使用的充電電流，以便電池能夠具有一個(gè)較高的循環(huán)壽命。
1.2.3 涓流充電模式
該充電模式其實(shí)也是一種恒壓充電模式，當(dāng)電池表面達(dá)到控制電路設(shè)定的終止充電電壓Vterm時(shí)，即進(jìn)入該種充電模式。由于在全速充電模式下，電流比較大，電池表面電壓與實(shí)際電池芯的電壓有比較大的落差，涓流充電模式就是用來(lái)減小甚至消除該落差。此時(shí)，電源管理電路通過(guò)控制S1的開(kāi)閉情況，將提供給電池的最大電流限制在100多mA。由于電池被充得越來(lái)越足，因此，涓流就越來(lái)越小，直到截止。
1.2.4 頂端截止脈沖充電模式
當(dāng)電源管理電路處于涓流充電模式時(shí)，它會(huì)周期性地跳轉(zhuǎn)到全速充電模式，形成脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行充電。大電流脈沖寬度一般<100μs，這樣有利于電池更快被充滿。
1.2.5 充電截止模式
電源管理電路會(huì)有一個(gè)控制引腳，由手機(jī)的CPU決定什么時(shí)候停止充電。進(jìn)入這種模式，一般會(huì)有這樣幾種情況：手機(jī)檢測(cè)到充電電路包括鋰電池溫度過(guò)高；不是原裝的鋰電池；已經(jīng)進(jìn)入涓流充電，不需要充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；充電器設(shè)計(jì)不合理等等。
2 結(jié)語(yǔ)
由于電源管理電路在移動(dòng)通信終端產(chǎn)品中的地位非常重要，它不僅涉及到手機(jī)的安全性能而且關(guān)系到使用者的人身安全。本文提出的解決方案可以通過(guò)專用芯片加匹配的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)，而這種專用芯片很多廠商如National Semiconductor，Motorola等都有很成熟的產(chǎn)品。
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