FTU手持终端电池管理电路的设计

华北电力大学电气与电子工程学院 谢志远 刘建宁 吴晓燕 薛玉娟

FTU手持终端电池管理电路的设计

华北电力大学电气与电子工程学院 谢志远 刘建宁 吴晓燕 薛玉娟

为了达到给FTU手持终端提供稳定可靠的电源的目的，在不影响体积的情况下，设计了性能稳定、功耗低、体积小的电源管理硬件电路。做了硬件电路调试、测量方面的实验，改进了电路设计的方法。获得保护电路、充电电路及升压电路的参数。实验数据表明，设计的电路达到手持终端锂电池管理电路的要求，并且已经应用到实际的项目当中。

电池管理；手持终端；锂电池；FTU

1.引言

馈线自动化终端(FTU)是自动化系统与一次设备联结的接口，主要用于配电系统变压器、断路器、重合器、分段器、柱上负荷开关等应用场合，主要安装于户外柱上或环网柜[1]。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。为了方便工作人员在现场的测量，利用手持终端与FTU无线通信，能够在现场及时采集相关数据，遥控其操作。

本研究的手持终端，需要一个输出电压为5V，最大输出电流400mA的双通道电源电路，如何设计出性能稳定、功耗低的电源管理电路为嵌入式手持终端设备开发的难点，也是本文电路计的主要目标。

2.手持终端供电模块体系设计

手持终端采用三星公司ARM11处理器S3C6410，是一种高性能、低功耗的微处理器，完善的外部设备，同时拥有高达667MHz的运行频率[2]。处理器之外，还有部分外设都需要供电。主要外围器件如图1所示，主要包括：Flash，DDR内存，SD卡，无线模块，4.3寸TFT触摸屏，USB接口。

根据处理器以及外围部件的电压需求，电压列为1.2V，1.8V，3.3V，5V。系统板上除了5V之外都是通过对5V电压转换芯片得来。因此，稳定输出5V的电源模块对整个手持终端来说具有重要的意义。

电源硬件管理电路，主要包括四个部分：保护电路、充电电路、双通道转换电路和升压电路。保护电路是限制外接电输入的电压，避免电压过大损坏设备。充电电路是当接入外接电源时，锂电池电压较低，可智能对其充电。双通道转换电路是切换锂电池和外接电源的输入电压。升压电路是对锂电池较低的电压进行处理，达到系统所需的电压参数。

2.1 保护电路设计

当电压过大时，很容易造成手持终端的损坏，造成不必要的损失，因此需要设计一种过压保护的电路，如图2。

保护电路中P沟道增强型MOS管[3，4]Q4起到电子开关的作用，当Vr6越来越大，MOS管的GSU 电压达到某个值时，MOS管关闭。当Vr6越来越小，MOS管开启，电流导通。当5V电压端口由于误操作，接一个比较大的电压时，可能会损坏晶体管和MOS管，TVS管[5]可起到一个过压保护的作用，接入电压过高，TVS管导通，形成一个放电回路，不会影响后面的电路。PNP晶体管的作用是控制Vr6电压，DZ1是一个稳压管，保证了晶体管导通，接入电压越来越大，晶体管饱和，Vr6随着接入电压增加而变大，直到不满足MOS管导通的要求，MOS管关闭，对手持终端起到了过压保护的作用。

2.2 充电电路设计

如今，手持终端越来越受欢迎，电池设备是关注的焦点之一。由于锂电池电池能量密度大，使用时间长，满足环保要求，逐渐成为了手持终端的首选电池[6]。电压过高或者过低都会对电池造成一定损坏，为了使电池长时间的使用而不被损坏，关键在于充电电路的设计。

选用锂电池专用充电芯片CN3065，芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。CN3063内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力。

如果在CN3063的电池电压输入端(FB)和电池正极之间接一个电阻，可以提高电池正极的恒压充电电压，如图3所示：

电池正极电压为：

其中， VBAT＋的单位是伏特， R12的单位是欧姆。

从ISET管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段，此管脚的电压被调制在0.2V；在恒流充电阶段，此管脚的电压被调制在2V。在充电状态的所有模式，此管脚的电压都可以根据下面的公式来监测充电电流：

2.3 双通道转换电路设计

当外接电源和锂电池电源都可以作为系统的供电来源时，首选的应该是外接电源。这就需要判断电路来进行选择，当外接电源电压为零时，需要判断电路高速率切换到电池供电，并且保证系统不受影响。如图4所示。

网络标号SW是手持终端手动开关信号，为低电平时，P沟道MOS管Q3导通，相反则截止。当接入外接电源，Change为高电平，R1和R7之间的电压为高电平，P沟道MOS管Q2截止，而二极管D3底端电压大于电池电压，电池电压通过不了D3，二极管也阻碍了外接电源对电池的影响，从而选择了外接电源通过P沟道MOS管Q3，给后面的升压电路提供输入电源。当没有接入外接电源时，Change为低电平，R1和R7之间的电压为低电平，P沟道MOS管Q2导通，电池可以通过Q2然后再通过Q3给升压电路提供输入电源。使用Q2可以保护电池不受外接电源的影响，同时，当电池为供电电源时，相对二极管，MOS管的压降很小[7]，增加了电池的使用时间。

2.4 升压电路的设计

为了满足系统对电压的要求，需要通过升压电路得到稳定输出5V电压，并且正常工作下能输出350MA电流的电源。本方案选择了MP1542升压转换器，结合外围电路，可输出最大电流400MA，5V的电源。

如图5所示，升压电路的输入端VIN是双通道选择电路的输出电压，经过升压电路后，输出端VOUT稳定的输出5V电压作为整个系统的供电电源。

MP1542是一种高效率、低纹波、工作频率高的升压转换器。工作频率的模式有700KHz或者是1.3MHz，最低输入2.5V电压，最高可输出22V电压，并且可编程软启动。当VIN有输入电压时，经过C4电容滤波，芯片EN引脚为高电平使其为工作状态，内部振荡器起振，引脚SW、FESL、IN可检测到工作频率的波形，引脚FB为反馈输入，参考电压为VFB=1.25V，输出电压和FB引脚电压之间的关系为：

升压电路在电路板上的布局和线宽有很高的要求，电源和地的线宽要求比较粗，而外围部件的布局要求和MP1542离的近一些。

3.电路的调试

电路的调试，是对每一部分的电路进行实际测量，经过多次实验，最终得到了稳定的输出电压。本章介绍保护电路、充电电路和升压电路的测试调试结果。

3.1 保护电路的测试

测试结果如表2-1所示：

表2-1 保护电路电压测量

从测试结果看出，接入电压越来越大，PNP晶体管达到饱和，Vr6电压随着接入电压的增加而变大[8]，最终导致Vr6电压与外接电压差不满足MOS管Q4的开启电压，MOS管关闭，没有输出电压，与理论分析基本一致。

3.2 充电电路的测试

充电工程有三种充电模式，涓流充电、恒流充电、恒压充电[9]，如图6所示。当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3063开始对电池充电。如果电池电压输入端(FB)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻R14确定。当电池电压输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3063进入恒压充电模式。当输入电压大于4.45V，并且充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束。

实验数据如下：

表2-2 充电状态下测量数据

3.3 升压电路的测试

升压转换器MP1542对元器件的布局要求较高，在调试升压电路部分时，由于布局不够紧凑[10]，线宽未能达标，对输出电压造成了严重的影响，如图7所示。

输入为4.0V左右的锂电池电压，未接负载的输出电压为4.86V左右，接上负载后，输出电压极不稳定，从图8中可以看出，电压变化频率很高，平均电压也被拉低为3.69V左右。经过多次调试实验，把外围器件也依次改变重焊，结果表明，在PCB电路板中，MP1542外围器件离芯片较远和电源线及地线的线宽较细时，就会出现以上现象。当电容此类元件离芯片较近时，相关频率才能稳定，芯片才能正常工作。

重新对升压电路外围布局后，重新制作PCB电路板，按照原有元件参数进行焊接，接入相同锂电池电压。如图8所示。

未接负载时，输出为4.83V的电压，输出较稳定。接上负载后，从图9看出，电压被拉低为4.52V，并且几乎没有大幅度的毛刺，输出稳定，用电设备运行良好。

4.结论

锂电池已经广泛用于各种移动设备中，而追对于每一款手持终端因配备不同的电源电路。所需要的电压电流参数不同，功率也就不同。针对与10KV电气设备的手持终端，对其要求进行了电源硬件电路的设计，最终实验成功，不但应用于此手持终端，也对其他相关移动设备电源的设计具有一定的参考价值。

[1]庞吉耀.基于软件编码的中速红外技术在FTU中的应用[J].现代电子技术,2010,3(314):200-204.

[2]胡世敏.基于S3C6410的视频监控系统的设计与实现[J].现代电子技术,2011,34(20):63-66.

[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000.3.

[4]康华光.电子技术基础(模拟部分)第四版[M].北京:高等教育出版社,1999.

[5]李岚.TVS二极管在电路设计中的应用[J].制造业自动化,2012,34(2):129-134.

[6]雷超方,张东.基于ARM 9的医疗手持信息终端电源设计[J].现代电子技术,2008,2(265):177-179.

[7]Shan Sun,Jiann-Shiun Yuan,Shen,Z.J..Performance of Trench Power MOSFET With Strained Si/SiGe Multilayer Channel.Electron Devices,IEEE Transactions on,2011,58(5):1517-1522.

[8]Renmin Li,Songyu Liu,Lei Fang.The upscaling from microscopic PNP multi-ion transport model to macroscopic PNP multi-ion transport model,2010,7:65-72.

[9]陈琛,何乐年.恒流/恒压充电方式的锂电池充电器芯片[J].半导体学报,2007,28(7):1030-1035.

[10]朱继元,周德俭,吴兆华.板级电路振动分析及元器件布局优化技术研究[J].电子机械工程,2007,23(1):1-4.

谢志远（1964—），男，博士，华北电力大学教授，研究方向：配网自动化和电力系统通信。

刘建宁（1987—），男，宁夏石嘴山人，硕士研究生，从事电力系统通信方面的研究。

吴晓燕（1988—），女，安徽安庆人，硕士研究生，从事电力系统通信方面的研究。

薛玉娟（1987—），女，黑龙江牡丹江人，硕士研究生，从事无线通信系统方面的研究。