LTE低成本方案手機(jī)電池檢測電路的軟硬件設(shè)計(jì)*

黃學(xué)達(dá)，翁明江

（重慶郵電大學(xué)重慶重郵信科通信技術(shù)有限公司，重慶400065）

LTE低成本方案手機(jī)電池檢測電路的軟硬件設(shè)計(jì)*

黃學(xué)達(dá)*，翁明江

（重慶郵電大學(xué)重慶重郵信科通信技術(shù)有限公司，重慶400065）

首先分析了LTE手機(jī)的發(fā)展和需求，明確LTE手機(jī)的功能需求和發(fā)展趨勢，深入分析LTE低成本手機(jī)的平臺技術(shù)和實(shí)現(xiàn)原理，介紹依據(jù)G5812電源管理芯片設(shè)計(jì)出LTE低成本手機(jī)，重點(diǎn)分析了設(shè)計(jì)方案中的電池電壓檢測和充電電流檢測的實(shí)現(xiàn)原理，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)方案，搭建出LTE低成本手機(jī)系統(tǒng)，最后對所設(shè)計(jì)的LTE低成本手機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，按照CTA入網(wǎng)測試項(xiàng)目要求，對電池電壓測量和充電過程進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，經(jīng)測試其性能指標(biāo)達(dá)到CTA入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

LTE；低成本手機(jī)；電池電壓檢測；充電電流檢測

第四代移動通信（4G）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完善，對于4G手機(jī)的需求日益增多，目前4G手機(jī)的方案廠商主要有高通，海思，聯(lián)發(fā)科，Marvell等，手機(jī)價(jià)格集中在1 000元左右或更高，芯片的集成度和功能都比較強(qiáng)大，一般都是集成應(yīng)用處理器、基帶處理器、RF Transceiver、PMIC、Memory，外部只需要增加Charger，RF PA等少量外圍器件，提供豐富的外設(shè)接口，便于設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的手機(jī)滿足市場的需求。

現(xiàn)在2G、3G手機(jī)市場上，尤其是東南亞、非洲等海外第三世界國家，對一兩百元人民幣的手機(jī)非常熱衷，設(shè)計(jì)一款低成本的4G手機(jī)，以滿足對低成本機(jī)的市場需求是非常必要的，采用某公司的低成本方案，主芯片沒有集成電池電壓檢測電路，需要依靠CPU的GPIO，外加輔助分立電路，實(shí)現(xiàn)電池電壓的檢測。

本文針對4G LTE的低成本方案手機(jī)研制和開發(fā)，提出一種通過分立電路，實(shí)現(xiàn)電池電壓的檢測，介紹硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，通過了系統(tǒng)測試。

1　LTE低成本手機(jī)系統(tǒng)方案介紹

LTE低成本手機(jī)硬件框圖如圖1所示，采用某公司的低成本AP+BP處理器，外接NAND+LPDDR2存儲器，CODEC，PMIC，RF Transceiver和FEM，支持2.8 inch RGB接口的LCD顯示屏以及集成電容觸摸屏，支持單SIM卡以及外插TF卡。

本方案選用的PMIC是致新科技G5812，集成鋰離子電池的充電器，1個300 mA DC/DC Buck Convertor，9個LDOs，另外G5812的充電器電路集成輸入電源的過壓和過流保護(hù)，電池接口有過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，與CPU接口是SMBUS總線。某公司的AP+BP處理器沒有多余的ADC，可以用于電池電壓檢測以及電池充電電流檢測的接口，需要外加ADC用于電池電壓和充電電流檢測，這樣的器件在醫(yī)療，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域比較多，封裝較大，價(jià)格較高，不適合低成本手機(jī)方案，需要設(shè)計(jì)一種低成本，占電路板面積小的電池檢測方案。

圖1LTE-A手機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　電池檢測電路硬件設(shè)計(jì)［5～7］

如圖2所示，采用一個MOSFET，5個電阻，3個電容等器件，占用AP+CP處理器的3個GPIO口，同時(shí)該電路連接到電池和G5812的VICHG，即可實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測以及充電電流的檢測。該電路的實(shí)現(xiàn)分為檢測和校準(zhǔn)兩部分，從而提高測量的精度。

圖2　電池檢測電路示意圖

電路原理介紹：

（1）器件選擇：T1 PFET選用 VISHAY的P-Channel MOSFET SI1031R，電阻電容的選擇根據(jù)理論計(jì)算選擇是 R1用 20 kΩ，R2用 10 kΩ，R3用20 kΩ，R4用10 kΩ，R5用20 kΩ，C1用0.1 μF，C2用100 pF，C3用1 μF，后續(xù)的實(shí)際測試中，可能會對電阻電容進(jìn)行微調(diào)；

（2）電池電壓測量：

如圖2所示，首先將AP+CP的GPIO V2處的電平拉低到0 V，然后利用另一GPIO D處輸出的負(fù)脈沖持續(xù)期間，MOSFET T1導(dǎo)通，電池電源可以流經(jīng)R1對C1充電；T1導(dǎo)通的同時(shí)V1處GPIO輸出0，V2處GPIO設(shè)置為輸入，期間不斷地讀取C的輸出；每次讀取C的輸出時(shí)累計(jì)讀取次數(shù)和檢查讀取次數(shù)是否超出合理的次數(shù)，如果讀取的次數(shù)超出合理值則報(bào)錯、停止執(zhí)行，如果讀到C出現(xiàn)邏輯高，則得到一個有效的讀取次數(shù)，利用最近有效的校準(zhǔn)值換算為電壓值。

（3）充電電流測量：

G5812集成Charger，并有充電電流監(jiān)控輸出管腳，如果電池電壓低于3.0 V，首先經(jīng)過預(yù)充電，然后是恒流、恒壓方式。采用G5812的充電電流-電壓轉(zhuǎn)換比例（Vichr=2.3×Icharger），把，電流作為電壓Vichr測量；如圖2所示，測量前D處于高電位或者低電平，MOSFET T1處于關(guān)斷狀態(tài)，B處于高阻態(tài)并穩(wěn)定了足夠時(shí)間，如果不計(jì)漏電，Vy電壓為D電壓的分量與VICHG電壓的分壓分量的和；設(shè)計(jì)使Vy大于C的邏輯低甄別電平0.7 V；Vy的變換通過利用R3對C1放電和計(jì)錄放電時(shí)間進(jìn)行；由于C的邏輯低甄別電平為0.7 V左右，而Vichr的范圍在0～3 V、所檢測和的范圍與此接近，由于阻容放電為指數(shù)曲線，如果在如此大范圍內(nèi)變換、采用線性換算將引起過大誤差，因此，需要分段線性變換；即如果第一次測量，D設(shè)置為高電平發(fā)現(xiàn)這個和太高，則需要啟動第二次測量，將D設(shè)置為低電平，重復(fù)上述測試。

3　電池檢測電路軟件設(shè)計(jì)［8-10］

電池電壓和充電電流檢測電路軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　電池電壓測量和充電電流測量軟件流程圖

（1）電池電壓測量軟件設(shè)計(jì)：

按照之前原理，首先將V1的GPIO設(shè)置為輸出低電平信號，將D的GPIO設(shè)置為輸出，將V2的GPIO設(shè)置為輸出低電平信號，清除V2端口上的電平，確保電容C1從0 V開始上升，然后將V2的GPIO設(shè)置為輸入，為檢測C1的電壓變化做準(zhǔn)備；其次就是采用CPU的timer1對V2口讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)D輸出低脈沖，使MOSFET導(dǎo)通，電池可以通過電阻R1對電容C1進(jìn)行充電，將此時(shí)timer1的值寫入timer1cnt2；再次就是當(dāng)V2檢測到高電平時(shí)，停止timer1計(jì)數(shù)，D輸出高電平，關(guān)閉MOSFET，將此時(shí)timer1的值寫入timer2cnt3；最后就是將timer1cnt2-timer1cnt3的值對照表1，將結(jié)果上報(bào)CPU，用于顯示電池電壓的值。

表1　Timer1計(jì)數(shù)與電池電壓對應(yīng)關(guān)系表

（2）充電電流測量軟件設(shè)計(jì)：

首先將V1設(shè)為輸入，D設(shè)為輸出，并輸出高電平，關(guān)閉MOSFET，切斷電池電源對電容C1充電路徑，將V2設(shè)置為輸入，用于讀取檢測電容C1的電壓變化；其次就是使用CPU的timer2進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)將V1設(shè)置為輸出低電平，使C1上的電壓為D處電壓的分量和VICHG處電壓的分壓分量之和，將此時(shí)timer2的值寫入timer1cnt2；再次就是當(dāng)V2檢測到高電平時(shí)，停止timer2計(jì)數(shù)，將此時(shí)timer2的值寫入timer2cnt3；最后就是將timer1cnt2-timer1cnt3的值對照表2，獲取此時(shí)VICHG對應(yīng)的電壓值，通過Vichr=2.3×Icharger換算后，得到充電電流的大小上報(bào)CPU。

表2　Timer2計(jì)數(shù)與充電電流對應(yīng)關(guān)系表

4　結(jié)論

根據(jù)此方案設(shè)計(jì)的LTE低成本方案手機(jī)電池檢測電路，有效的降低LTE手機(jī)的成本，又有很高的可靠性和穩(wěn)定性，順利通過CTA入網(wǎng)測試，為LTE手機(jī)的研制和開發(fā)提供了一種新的思路，有很高的市場價(jià)值。

［1］沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2008：23-56.

［2］李增山.一種3G智能手機(jī)軟/硬件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京郵電大學(xué)，2011.1.

［3］ITU-R WP 5D/580-E.Submission of TD-LTE-Advanced for IMTAdvanced Candidate Technology［Z］.10，2009.

［4］張長青.TD-LTE演進(jìn)型分組核心網(wǎng)技術(shù)分析［J］.移動通信，2013（8）：51-57.

［5］3GPP TS.Universal Mobile Telecommunications System（UMTS）［S］.Revision8.11.0.2010.

［6］Global Mixed-mode Technology.G5812 Datasheet Version 1.4［Z］.2011.11.

［7］Vishay Siliconix.Si1031 Datasheet Version C［Z］.2008.6.

［8］蘇健.Android智能手機(jī)平臺電源管理技術(shù)［J］.微處理機(jī)，2011（5）：66-69.

［9］張艷紅，張瑜.基于C8051F920的智能充電器設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，37（6）：1251-1255.

［10］孟彥京，張商州.充電方式對超級電容能量效率的影響［J］.電子器件，2014，37（1）：13-16.

黃學(xué)達(dá)（1978-），男，漢，四川宜賓人，重慶郵電大學(xué)，工程師，主要研究方向?yàn)長TE-A終端產(chǎn)品硬件研究，huangxueda@ 163.com。

Design of Hardware and Software of Battery Voltage Detect Circuit on LTE Costdown Mobile Phone*

HUANG Xueda*，WENG Mingjiang
（Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing CYIT Communication Technologies Co.，Ltd，Chongqing 400065，China）

For clearing up the functional requirements and development trend of LTE phone，market research and analysis were made；Studying the LTE costdown mobile phone platform technology principle；and the LTE costdown mobile phone designed by using PMIC G5812 was introduced；To focus on the analysis of battery voltage detect and charging current monitor and to combine with software solutions，the system of LTE costdown mobile phone was built up.At last，debugging LTE costdown mobile phone system，testing battery voltage detect and charging current performance of system made a perfect detection to the requirements for CTA and the performance of system met CTA standard.

long term evolution；costdown mobile phone；battery voltage detect；charger current monitor

TN41

A

1005-9490（2016）05-1280-03

項(xiàng)目來源：重慶市科委項(xiàng)目（cstc2013yykfc4003）

2015-09-21修改日期：2015-10-16

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.050