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(shè)計的安全性問題顯得尢為重要。就移動終端產(chǎn)品安全隱患最大的地方----電源管理設(shè)計，提出了一些設(shè)計理念以提高產(chǎn)品的安全性。
關(guān)鍵詞：移動通信終端；電源管理；可充電鋰離子電池
Design of Mobile Power Management System
BAO Li-na, ZHOU Xiang, WANG Kuang
(Instiute of Information and Communication,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310027 China)
Abstract:The mobile products are very popular in our life,so the safety of design is very important.The safety of mobile products-design of mobile power management system is introduced,and some advices of design to enhance the safety of products are brought forward.
Keywords: mobile；power management；Iithium-ion rechargeable battery；
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(shè)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(shè)計有缺陷或設(shè)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(yīng)用的電源。它們可以提供更高的能量密度（最高達200 W·h/kg或300～400 W·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4.1 V，石墨陽極電池為4.2 V)。它們具有無記憶效應(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。
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目前中國移動通信終端產(chǎn)品追求最小尺寸來說是至關(guān)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(shè)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(shè)計
鋰離子電源管理的設(shè)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。
1.1 放電工作原理
電池過放可能會給電池帶來災(zāi)難性的后果，特別是大電流過放或反復(fù)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(zhì)的可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復(fù)，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2.575～4.2 V。當(dāng)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(dāng)電池輸出電流超過通常的保護值3.5 A的時候，手機短路保護電路開始工作，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[1]規(guī)定的放電終止電壓2.375 V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(guān)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(fù)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(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，電源管理電路進入低電壓預(yù)充電模式。當(dāng)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(yīng)該采取漸進的充電方式。
對于一塊極度過放的，電壓已低于0.7 V的鋰電池，電源管理電路將提供預(yù)充電涓流給電池。此時S1關(guān)閉，充電器通過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0 V的電池進行充電；當(dāng)電池電壓高于0.7 V低于1.98 V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800 mW，以免燒毀S1；當(dāng)電池電壓高于1.98 V低于3.0 V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100 mA。
1.2.2 全速充電模式
當(dāng)電池電壓高于3.0 V時，預(yù)充電模式結(jié)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1.5 A。
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(shè)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(yīng)用中，一般要求充電器提供的輸出電流限制在1 A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(dāng)電池表面達到控制電路設(shè)定的終止充電電壓Vterm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。了 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，它會周期性地跳轉(zhuǎn)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< 100 μs，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(shè)計不合理等等。
2 結(jié)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(guān)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。
參考文獻
[1] GB/T 182872000,蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范[S].2000.
[2] YD/T 9981999,移動通信手持機用鋰離子電源及充電器[S].1999.
