移動通信終端電源管理設計原理

移動通信終端電源管理設計原理??

摘要：移動通信終端產(chǎn)品在我們的日常生活中已經(jīng)非常普及，因此，其設計的安全性問題顯得尤為重要。就移動終端產(chǎn)品安全隱患最大的地方——電源管理設計，提出了一些設計理念以提高產(chǎn)品的安全性。

關鍵詞：移動通信終端；電源管理；可充電鋰離子電池

0??? 引言

??? 移動通信終端產(chǎn)品如GSM手機、CDMA手機及PHS小靈通電話已經(jīng)深入普及到我們的日常生活中，促進了中國電信事業(yè)的發(fā)展，也為我們的生活帶來了方便與快捷。但同時，由于一些移動終端廠商的設計缺陷，多次出現(xiàn)了手機爆炸傷人事件，而造成爆炸的主要原因在于電源管理部分設計有缺陷或設計存在不完善的地方。

??? 與其他現(xiàn)有電池相比，可充電鋰離子電池具有多項優(yōu)勢，這使它們成為更適合于便攜式應用的電源。它們可以提供更高的能量密度（最高達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(碳陽極電池為4.1V，石墨陽極電池為4.2V)。它們具有無記憶效應，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。

??? 鋰離子電池的更高化學能量密度和更高電池電壓使得我們可以為移動終端產(chǎn)品應用制造出更小和更輕的電池，而更輕和更小的電源對目前中國移動通信終端產(chǎn)品追求最小尺寸來說是至關重要的。要想充分利用電池容量或延長電池壽命，必須極其嚴格地控制充電參數(shù)。

??? 鑒于鋰離子可充電電池的上述優(yōu)點，本文將詳細介紹如何設計高效、安全的鋰離子可充電電池管理電路。

1??? 移動通信終端產(chǎn)品鋰離子電源管理的原理及設計

??? 鋰離子電源管理的設計主要是針對鋰離子電池的特性來進行的。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，我們就圖1從鋰電池放電、充電兩個方面來探討如何實現(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

??? 電池過放可能會給電池帶來災難性的后果，特別是大電流過放或反復過放，對電池的影響更大。一般而言，過放電會使電池內(nèi)壓升高，正負極活性物質的可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復，容量會有明顯衰減。鋰離子電源管理電路的功能之一就是為了保護鋰電池不至于過放。

??? 鋰電池的正常工作電壓為2.575～4.2V。當電池電壓在此范圍內(nèi)，管理電路將MOSFET管S₄打開，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負載。在此情況下，過放就體現(xiàn)為輸出電流過大。在整個輸出過程中，電源管理電路不斷地檢測從電池輸出到負載的電流。當電池輸出電流超過通常的保護值3.5A的時候，手機短路保護電路開始工作，關閉S₄，切斷電池與BATT＋的連接。

??? 當電池持續(xù)放電到電池電壓低于文獻[1]規(guī)定的放電終止電壓2.375V以下時，則屬于電壓過放。此時，圖1中的手機低電壓及短路保護電路開始工作，同電流過放一樣，關閉S₄，切斷電池與BATT＋的連接達到保護鋰電池的目的。

1.2??? 充電工作原理

??? 充電管理電路在對鋰電池進行充電時，更是一個復雜的過程，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充。如果鋰電池在充電過程中充電電流過大，或充電時間過長，產(chǎn)生的氧氣來不及被消耗，就可能造成內(nèi)壓升高，電池變形，漏液等不良現(xiàn)象。同時，其電性能也會顯著降低。

??? 整個充電電路應該具有以下幾種充電模式：

??? ——低電壓預充電模式；

??? ——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??? 低電壓預充電模式

??? 當電池電壓低于3.0V時，電源管理電路進入低電壓預充電模式。當電池極度過放時，為了防止過量的充電電流對電池性能造成損傷，充電電路應該采取漸進的充電方式。

??? 對于一塊極度過放的，電壓已低于0.7V的鋰電池，電源管理電路將提供預充電涓流給電池。此時S₁關閉，充電器通過R₁提供電流給管腳V_dect，充電器提供電流的大小完全由R₁決定，整個充電器幾乎工作在無負載情況下。這種充電模式甚至可以對電壓已經(jīng)為0V的電池進行充電；當電池電壓高于0.7V低于1.98V時，外部S₁及S₂工作，電源管理電路可以以更高的電流對電池進行充電。但是，此時三極管S₁的功耗檢測電路還沒有工作，必須限制其功耗低于800mW，以免燒毀S₁；當電池電壓高于1.98V低于3.0V時，整個電源管理電路都正常工作，此時S₁的控制電路使S₁以較高的電流，但遠低于全速充電電流對電池進行充電，該電流一般超過100mA。

1.2.2??? 全速充電模式

??? 當電池電壓高于3.0V時，預充電模式結束，進入全速充電模式。此時，電源管理電路將S₁及S₂打開，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。

??? 這種充電模式對充電器也有一定的要求，要求其實現(xiàn)限流輸出。這樣做的目的是便于移動通信終端廠商，在產(chǎn)品設計時可以根據(jù)產(chǎn)品的定義，選擇不同的充電電流，實現(xiàn)對具體鋰電池快速有效的充電。在典型應用中，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較高的循環(huán)壽命。

1.2.3??? 涓流充電模式

??? 該充電模式其實也是一種恒壓充電模式，當電池表面達到控制電路設定的終止充電電壓V_term時，即進入該種充電模式。由于在全速充電模式下，電流比較大，電池表面電壓與實際電池芯的電壓有比較大的落差，涓流充電模式就是用來減小甚至消除該落差。此時，電源管理電路通過控制S₁的開閉情況，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越足，因此，涓流就越來越小，直到截止。

1.2.4??? 頂端截止脈沖充電模式

??? 當電源管理電路處于涓流充電模式時，它會周期性地跳轉到全速充電模式，形成脈沖電流對電池進行充電。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

??? 電源管理電路會有一個控制引腳，由手機的CPU決定什么時候停止充電。進入這種模式，一般會有這樣幾種情況：手機檢測到充電電路包括鋰電池溫度過高；不是原裝的鋰電池；已經(jīng)進入涓流充電，不需要充電時間過長；充電器設計不合理等等。

2??? 結語

??? 由于電源管理電路在移動通信終端產(chǎn)品中的地位非常重要，它不僅涉及到手機的安全性能而且關系到使用者的人身安全。本文提出的解決方案可以通過專用芯片加匹配的外圍電路就能實現(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。