移动通信终端电源管理设计原理

移动通信终端电源管理设计原理  

摘要：移动通信终端产品在我们的日常生活中已经非常普及，因此，其设计的安全性问题显得尤为重要。就移动终端产品安全隐患最大的地方——电源管理设计，提出了一些设计理念以提高产品的安全性。

关键词：移动通信终端；电源管理；可充电锂离子电池

0    引言

    移动通信终端产品如GSM手机、CDMA手机及PHS小灵通电话已经深入普及到我们的日常生活中，促进了中国电信事业的发展，也为我们的生活带来了方便与快捷。但同时，由于一些移动终端厂商的设计缺陷，多次出现了手机爆炸伤人事件，而造成爆炸的主要原因在于电源管理部分设计有缺陷或设计存在不完善的地方。

    与其他现有电池相比，可充电锂离子电池具有多项优势，这使它们成为更适合于便携式应用的电源。它们可以提供更高的能量密度（最高达200W·h/kg或300～400W·h/L，分别是Ni/Cd或者Ni/MeH电池的2.5倍和1.5倍）和更高的电池电压(碳阳极电池为4.1V，石墨阳极电池为4.2V)。它们具有无记忆效应，自放电率小，可快速充放电及更高的充放电次数等优点。

    锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为移动终端产品应用制造出更小和更轻的电池，而更轻和更小的电源对目前中国移动通信终端产品追求最小尺寸来说是至关重要的。要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电参数。

    鉴于锂离子可充电电池的上述优点，本文将详细介绍如何设计高效、安全的锂离子可充电电池管理电路。

1    移动通信终端产品锂离子电源管理的原理及设计

    锂离子电源管理的设计主要是针对锂离子电池的特性来进行的。锂离子电池的安全性能及供电性能主要体现在其充放电参数的控制上。图1为锂电池电源管理原理图。该图由控制芯片和外围电路组成。接下来，我们就图1从锂电池放电、充电两个方面来探讨如何实现锂电池的管理。

图1锂离子电池电源管理电路

1.1    放电工作原理

    电池过放可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放或反复过放，对电池的影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质的可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量会有明显衰减。锂离子电源管理电路的功能之一就是为了保护锂电池不至于过放。

    锂电池的正常工作电压为2.575～4.2V。当电池电压在此范围内，管理电路将MOSFET管S₄打开，在电池(CELL)电压与BATT＋之间建立低阻通道，有利于电流从电池流向手机负载。在此情况下，过放就体现为输出电流过大。在整个输出过程中，电源管理电路不断地检测从电池输出到负载的电流。当电池输出电流超过通常的保护值3.5A的时候，手机短路保护电路开始工作，关闭S₄，切断电池与BATT＋的连接。

    当电池持续放电到电池电压低于文献[1]规定的放电终止电压2.375V以下时，则属于电压过放。此时，图1中的手机低电压及短路保护电路开始工作，同电流过放一样，关闭S₄，切断电池与BATT＋的连接达到保护锂电池的目的。

1.2    充电工作原理

    充电管理电路在对锂电池进行充电时，更是一个复杂的过程，既要保证锂电池能够充满，又要保证锂电池的性能，最重要的是要保证锂电池不能过充。如果锂电池在充电过程中充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著降低。

    整个充电电路应该具有以下几种充电模式：

    ——低电压预充电模式；

    ——全速充电模式；

    ——涓流充电模式；

    ——顶端截止、脉冲充电模式；

    ——充电截止模式。

1.2.1    低电压预充电模式

    当电池电压低于3.0V时，电源管理电路进入低电压预充电模式。当电池极度过放时，为了防止过量的充电电流对电池性能造成损伤，充电电路应该采取渐进的充电方式。

    对于一块极度过放的，电压已低于0.7V的锂电池，电源管理电路将提供预充电涓流给电池。此时S₁关闭，充电器通过R₁提供电流给管脚V_dect，充电器提供电流的大小完全由R₁决定，整个充电器几乎工作在无负载情况下。这种充电模式甚至可以对电压已经为0V的电池进行充电；当电池电压高于0.7V低于1.98V时，外部S₁及S₂工作，电源管理电路可以以更高的电流对电池进行充电。但是，此时三极管S₁的功耗检测电路还没有工作，必须限制其功耗低于800mW，以免烧毁S₁；当电池电压高于1.98V低于3.0V时，整个电源管理电路都正常工作，此时S₁的控制电路使S₁以较高的电流，但远低于全速充电电流对电池进行充电，该电流一般超过100mA。

1.2.2    全速充电模式

    当电池电压高于3.0V时，预充电模式结束，进入全速充电模式。此时，电源管理电路将S₁及S₂打开，并使S₁工作在饱和模式，充电器提供全速充电电流给电池充电。但是，电源管理电路将限制最大充电电流小于1.5A。

    这种充电模式对充电器也有一定的要求，要求其实现限流输出。这样做的目的是便于移动通信终端厂商，在产品设计时可以根据产品的定义，选择不同的充电电流，实现对具体锂电池快速有效的充电。在典型应用中，一般要求充电器提供的输出电流限制在1A以内，具体的电流可以根据所用锂电池厂商推荐使用的充电电流，以便电池能够具有一个较高的循环寿命。

1.2.3    涓流充电模式

    该充电模式其实也是一种恒压充电模式，当电池表面达到控制电路设定的终止充电电压V_term时，即进入该种充电模式。由于在全速充电模式下，电流比较大，电池表面电压与实际电池芯的电压有比较大的落差，涓流充电模式就是用来减小甚至消除该落差。此时，电源管理电路通过控制S₁的开闭情况，将提供给电池的最大电流限制在100多mA。由于电池被充得越来越足，因此，涓流就越来越小，直到截止。

1.2.4    顶端截止脉冲充电模式

    当电源管理电路处于涓流充电模式时，它会周期性地跳转到全速充电模式，形成脉冲电流对电池进行充电。大电流脉冲宽度一般<100μs，这样有利于电池更快被充满。

1.2.5    充电截止模式

    电源管理电路会有一个控制引脚，由手机的CPU决定什么时候停止充电。进入这种模式，一般会有这样几种情况：手机检测到充电电路包括锂电池温度过高；不是原装的锂电池；已经进入涓流充电，不需要充电时间过长；充电器设计不合理等等。

2    结语

    由于电源管理电路在移动通信终端产品中的地位非常重要，它不仅涉及到手机的安全性能而且关系到使用者的人身安全。本文提出的解决方案可以通过专用芯片加匹配的外围电路就能实现，而这种专用芯片很多厂商如National Semiconductor，Motorola等都有很成熟的产品。