CN104052028A - 一种无线数据通信终端及其电池过温检测与保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线数据通信终端及其电池过温检测与保护装置，该装置包括电源管理模块、充电管理模块和温度检测比较模块，温度检测比较模块用于检测电池的温度，比较电池温度和第一温度阈值并根据比较结果向电源管理模块输出表示是否超温的第一指示信号，及比较电池温度与第二温度阈值并根据比较结果向充电管理模块输出表示是否超温的第二指示信号，在第一指示信号表示超温时，电源管理模块执行关机操作，在第二指示信号表示超温时，充电管理模块停止对电池充电。本发明装置通过纯硬件电路的方式或者硬件为主软件为辅的方式，提高电池过温检测与控制的实时性，增强电池过温检测与保护功能的可靠性和无线数据通信终端的安全性。

Description

一种无线数据通信终端及其电池过温检测与保护装置

技术领域

本发明涉及无线数据通信设备领域，更具体地说，涉及一种无线数据通信终端及其供电电池的过温检测与保护装置。

背景技术

随着无线数据终端产品功能日益强大，产品的功耗也随之增加，其供电电池容量也变得很大，充放电电流也要求随之增加。系统供电电池在充放电过程中的发热问题将不仅直接影响无线数据终端用户的使用体验，而且还影响到产品的可靠性和用户在使用中的人身安全性等问题。对于解决该问题的现有技术和业界的一些通用做法，介绍如下：

1、采用集成IC方案，将电池的过温检测和保护功能集成在电源管理IC芯片之内，即电源变换、电池充电管理、电池过温度保护功能一体化，集成在一个IC方案中。该方案的优点是设计简洁，成本低。但存在的主要问题是，灵活度不够，特别是无法满足通信行业，某些运营商对无线数据通信终端产品的安全认证方面的需求，例如：有些电信运营商产品安全认证会要求产品在供电电池温度达到45℃时停止充电，但此时系统可以通过外接AC适配器或者USB接口供电，即不完全停止整机工作业务，以及在供电电池温度达到60℃时，整机实现关机功能。

2、基于上述对电池温度在45℃时停止充电，60℃时整机实现关机功能要求，还有一些通用做法是，采用主CPU软件功能的方式实现电池过温检测与保护功能，即主CPU的ADC解决检测电池温度，通过软件判断电池是否存在过温现象，如果有过温发生，则CPU控制PMU实现对电池的过温保护，或关机动作。这一做法的缺点是：要求主CPU必须带ADC功能，否则需要外加ADC芯片增加成本，同时增加软件功能成本。另外，无线数据终端功能变复杂后主CPU处理软件业务增加，特别是带操作系统的数据终端中，容易出现系统死机，程序跑飞等主机异常情况。根据用户使用场景看，当主机系统异常后，有可能电池充放电仍然正常工作，此时如果出现电池过温，主机CPU不能控制充电功能关闭。对电池的可靠性，用户的使用安全问题会产生重要影响。

发明内容

为解决上述所述的技术缺陷，本发明提供一种无线数据通信终端及其电池过温硬件检测与保护电路，通过纯硬件电路的方式或者硬件为主软件为辅的方式，提高电池过温检测与控制的实时性，增强电池过温检测与保护功能的可靠性和无线数据通信终端的安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种电池过温检测与保护装置，包括电源管理模块、充电管理模块、温度检测比较模块，其中，

温度检测比较模块，用于检测电子设备的电池的温度，比较电池温度和第一温度阈值并根据比较结果向电源管理模块输出表示是否超温的第一指示信号，及比较电池温度与第二温度阈值并根据比较结果向充电管理模块输出表示是否超温的第二指示信号；

电源管理模块，用于在第一指示信号表示超温时，执行关机操作；

充电管理模块，用于在第二指示信号表示超温时，停止对电池充电，在第二指示信号表示不超温时，允许对电池充电；

温度检测比较模块中用于检测电池的温度及比较电池温度和第一温度阈值并根据比较结果向电源管理模块输出表示是否超温的第一指示信号的电路采用分立元件实现。

优选地，温度检测比较模块包括：

第一检测单元，采用分立元件实现，用于检测电池的温度并比较电池温度和第一温度阈值，在电池温度小于第一温度阈值时，输出表示不超温的第一指示信号，否则，输出表示超温的第一指示信号；

第二检测单元，用于检测电池的温度并比较电池温度和第二温度阈值，在电池温度大于或等于第二温度阈值时，输出表示超温的第二指示信号；在电池温度小于第三温度阈值时，输出表示不超温的第二指示信号；在其他情况下，维持第二指示信号的原有状态不变。

优选地，第一检测单元包括：

第一检测电路，包括电阻网络，该电阻网络与电池中的热敏电阻构成分压电路，将电池温度转换为第一电压信号并输出到第一比较电路；

第一比较电路，采用非迟滞电压比较器来比较对应于电池温度的第一电压信号和对应于第一温度阈值的第一参考电压信号，输出第一指示信号。

优选地，第二检测单元包括：

第二检测电路，包括电阻网络，该电阻网络包括与电池中热敏电阻构成的分压电路，将电池温度转换为第二电压信号输出到第二比较电路；

第二比较电路，采用迟滞电压比较器或集成到充电管理模块中的IC电路来比较对应于电池温度的第二电压信号、对应于第二温度阈值的第二参考电压信号和对应于第三温度阈值的第三参考电压信号，输出第二指示信号。

优选地，第一温度阈值为60℃，第二温度阈值为45℃。

优选地，第三温度阈值为25℃～35℃。

一种无线数据通信终端，包括用于处理该无线数据通信终端的各项通信业务的主处理模块，其中，还包括：

上述电池过温检测与保护装置；

其中，电池过温检测与保护装置中的第一检测单元输出的第一指示信号连接到主处理模块，主处理器在其指示不超温时，允许开机，否则不允许开机。

本发明由于采取以上所述的技术方案，其包括以下优点：

1、较强灵活度，能够满足通信行业对无线数据通信终端产品的安全认证方面的需求，实现电池温度达到第一预设温度时停止充电，电池温度达到第二预设温度时触发通信终端关机，极大地增强通信终端的可靠性和安全性。

2、通过纯硬件电路的方式或者硬件为主软件为辅的方式实现电池过温检测与保护，减少因具有操作系统的无线数据终端的主CPU程序业务执行增加而导致的系统死机、程序跑飞等主机异常情况。即增强了电池过温保护的实时性和有效性，简化了终端系统主机软件的设计，且软硬件成本合理。

附图说明

在此说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示例性的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限制；在附图中：

图1是无线数据通信终端及其电池过温检测与保护装置总体架构示意图；

图2是电池过温检测与保护装置架构示意图；

图3是45℃温度检测器特性曲线；

图4是60℃温度检测器特性曲线；

图5是依据本发明的一个实施例的电池过温检测与保护装置的电路原理图；以及

图6是依据本发明的另一个实施例的电池过温检测与保护装置的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。

图2是电池过温检测与保护装置系统架构示意图。该锂电池过温检测与保护装置主要包括充电管理模块21、锂电池22、45℃温度检测器23和60℃温度检测器24等几个部分。其中45℃温度检测器23和60℃温度检测器24构成本发明所述的锂电池温度检测与保护装置的关键部件，在下文中将详细阐述。

外部VBUS输入的5V电源首先连接到充电管理模块21，充电管理模块21一方面给连接到锂电池22，控制与管理锂电电池的充电与放电；另一方面充电管理模块通过输出连接到PMU1模块20的输入，给PMU1提供输入电源，PMU1模块20输出电源给系统供电。锂电池22的“+”连接到充电管理模块21的充电输出管脚，锂电池22的中间“ID”管脚连接到45℃温度检测器23和60℃温度检测器24的输入端，用于采集锂电池的温度，同时判断锂电的温升是否达到45℃和60℃。45℃温度检测器23的输出连接到充电管理模块21的充电控制信号输入端，60℃温度检测器24的输出连接到电源管理PMU1模块20的关机信号输入端，用于实现系统关机功能。

其中，45℃温度检测器23，设计成具有迟滞比较功能，要求具有如图3所示的特性曲线。即当锂电温度为常温25℃时，45℃温度检测器23首先采集锂电池温度参数，并转换为输入电压V1，此时输出Vo1为逻辑“L”电平(通过设计迟滞曲线也可以为逻辑高电平)，随着温度的升高，只要锂电温度0≤T＜45℃范围内，45℃温度检测器23的输出电平保持其输出逻辑电平为低电平不变。当锂电温度上升到45℃时，45℃温度检测器23将采集锂电池温度参数，并转换为输入电压V3，此时输出Vo1跳变为逻辑“H”电平。随着锂电的温度继续升高，Vo1保持高电平不变。45℃温度检测器23的输出电平由“L”跳变为逻辑“H”电平，将触发充电管理模块21停止充电，可以是锂电的持续温升得到遏制，并保证电池的充电安全。伴随着锂电池的温度将缓慢降低，当锂电池温度30℃＜T时，45℃温度检测器23的输出Vo1输出保持高电平不变，只有当锂电池温度30℃＝T时，Vo1输出跳变为逻辑低电平，充电管理模块21恢复对锂电池模块22的充电。

其中，60℃温度检测器24，设计成普通比较器，该比较器的特性曲线如图4所示，当锂电温度T＜60℃时，比较器24的输入电平大于V5，其输出逻辑电平为逻辑高电平(即图中的中H电平)该电平输入给PMU1的开关机控制端，PMU1工作正常。当锂电温度60℃≥T时，比较器24的输出跳变为逻辑低电平(即图中的中H电平)，该信号输入给PMU1的开关机控制端，触发PMU1实现整个系统关机操作。

为了进一步说明本发明所述的过温检测与保护装置实现在45℃时停止充电，60℃时实现整机系统关机功能，采用如下功能表格加以阐述(为了说明方便，列举几个典型温度值)。

表1锂电池温度检测与过温保护装置状态表

结合表1锂电池温度检测与过温保护装置状态表，进一步阐述锂电池过温检测与保护装置的工作原理如下：

锂电池常温0-25℃时，45℃温度检测器23、60℃温度检测器24，分别采集锂电温度，并输出控制信号Vo1＝L，Vo2＝H。该控制信号对系统工作不产生影响，系统状态为正常工作状态，锂电在充电管理模块21的控制下也正常充/放电。随着系统在数据收发，锂电池的充放电过程中，锂电温度会随着升高，在锂电温升0℃＜T＜45℃范围内，由图2和图3的特性曲线可知，45℃温度检测器23，60℃温度检测器24的输出，Vo1＝L，Vo2＝H将保持不变。

当锂电池的温度升高到45℃≤T＜60℃。45℃温度检测器23、60℃温度检测器24，分别采集锂电温度，并输出控制信号Vo1＝H，Vo2＝H。由图2可知Vo1＝H触发充电管理模块21停止充电，但系统工作正常。即此时系统状态是工作状态，但终止充电功能，保护电池的充电安全。

当锂电池的温度升高到60℃≤T。45℃温度检测器23、60℃温度检测器24，分别采集锂电温度，并输出控制信号Vo1＝H，Vo2＝L。此时Vo1＝H触发充电管理模块21停止充电，Vo2＝L触发PMU1实现系统关机操作，彻底保护电池的工作安全。

当锂电池在禁止充电或者系统关机后，锂电池的温度会随之下降。当锂电池的温度下降到30℃≤T＜60℃时，通过控制信号Vo1＝H，Vo2＝L，允许系统开机，但仍然禁止锂电充电。只有当锂电的温度下降到25℃至35℃(常温25℃，考虑环境可能高于25℃，本发明中设计可以为30℃。同时考虑到防止锂电温度到达45℃附近时出现频繁的充电与禁止充电操作，将锂电禁止充电和允许充电的温度阀值预留10℃的回差)时允许系统充电，即系统能正常工作，锂电池可以正常充电。

为进一步说明本发明的具体实施方式，下面列举具体实例。

实例1

在本具体实例中，如图5所示，由301运放比例运算放大器U1和外围电阻R1、R2、R3、R5、R4和RNTC(电池内部NTC电阻)构成电池45℃度温度检测器的电压比较器，其运算输出为Vo1，连接到充电管理单元电路302，用于控制充电使能开关(允许充电或禁止充电)。R1、R2、R3、R4和RNTC为电阻网络，Rf1为运算放大器的反馈电阻，为运算放大器U1引入深度负反馈；电阻R1与R1构成分压器，连接到301的输入正端，对VCC电源进行分压为运算放大器U1提供合适的基准电压，R2与电池内部的负温度系数的热敏电阻RNTC构成温度检测器，连接到301的输入负端。其中R5为运放输入负端，输入电阻。电阻R4为输入下拉电阻，为电路提供固定的驱动电平输出，其电路特性如图3所示。

具体实例1中，302比例运算放大器U2和R5、R6、R7构成电池60℃度温度检测器，其输出Vo2连接到系统的主CPU，系统的电源管理模块PMU，由于控制PMU和CPU检测电池温度，即当电池温度到达60℃时，Vo2输出信号使PMU模块启动系统关机流程，或者直接关断系统主要供电，使系统停止工作。同时，系统如果在下次需要开机时，需要启动CPU对电池温度检测，即CPU需要检测此时的Vo2的状态来判断电池温度是否降低60℃以，只有降低到60℃以下时，才允许启动开机流程。

其中电阻R5、R6构成分压器，连接到301的输入负端，对V_CC进行分压给U2提供合适的基准电压。电阻R2与电池内部电阻NCT组成的分压器输出连接到U2的输入正端，由于检测电池温度，并转化为电压信号，R8为上拉电阻，为电路提供固定的驱动电平输出，其电路特性曲线如图4所示。

实例2

将发明内容所述的60℃温度检测器与充电集成IC(这些集成IC主要包括MAX8903，QB2416X系列，NCP185X系统，但不仅限与此)构成一个充电管理单元，电池温度检测与过温保护，实现对电池的45℃停止充电，60℃实现系统关机操作。在本实例中，如图6所示，401为充电管理主芯片，402为本发明所述的无线数据通信终端系统(以下简称为系统)中的主CPU小系统，下文简称主机Host，403为主机Host与充电管理主芯片之间的通信接口(例如IIC总线，或者GPIO接口等)，404为电池温度检测装置，采用外接电阻与锂电的ID管脚连接，等效为外接电阻与锂电池的内部NTC电阻串联构成一个分压器，该分压器将锂电池的温度转换为电压信号，一路送给401充电管理主芯片的温度检测管脚，另一路送给60℃温度检测装置405，60℃温度检测装置405的输出一路连接到407系统的电源管理单元PMU，该信号连接到PMU的开关机触发管脚。另外一路连接到主机Host的GPIO/中断输入管脚。

系统正常工作时，充电管理模块401通过外围硬件设置，或者主机Host软件设置电池温度保护阀值为45℃，随着电池充放电的进行，温度随着升高，当电池温度升到阀值45℃时，充电管理模块401通过内部逻辑控制电路关闭Q2即锂电池充电路径，禁止充电；同时，60℃温度检测装置405输出逻辑高电平“H”(根据具体系统的不同，也可以设置为逻辑低电平“L”)。401的主输出3.4V-4.2V由VBUS经过内部DC-DC转换得到只给系统供电，由于系统没有停止工作，电池温度有可能继续升高，当温度持续上升到60℃时，60℃温度检测装置405输出跳变为逻辑高低平“L”，该信号一方面触发PMU单元实现关机操作，另一方面送给主机Host，主机Host在下一次启动开机进程中判断锂电池温度是否下降到60℃以下，只有在60℃以下时才允许启动下次的开机程序，否则不予开机，从而保障电池的安全性能。

一种无线数据通信终端的系统架构如图1所示。主要包括：电源管理PMU模块、接入信号处理器(以下简称AP模块)模块、无线3G/4G通信模块、无线WI-FI通信模块和锂电池充放电模块，其中锂电池充放电模块包括上述电池过温检测与保护装置。无线数据通信终端的基本原理为：外部输入5V电源(用VBUS表示)通过USB连接器输入到电源管理PMU1，PMU1一方面将5V电源变成几路合适的电源给AP模块和WI-FI模块供电；另一方面将产生3.6-4.2V电源供给电源管理PMU2的输入。PMU2将3.6-4.2V的输入电源变成几路合适的电源输出给3G/4G模块供电。对于该数据终端的通信数据链路而言，AP模块通过外部USB与PC或者外部设备建立通信，AP模块通过另一个USB接口与3G/4G模块建立通信，AP与WI-FI模块通过SDIO接口或者HSIC接口建立通信，实现3G/4G与WI-FI的多接入数据通信业务。

以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些修改和变型在内。

Claims (7)

1.一种电池过温检测与保护装置，包括电源管理模块、充电管理模块、温度检测比较模块，其特征在于：

所述温度检测比较模块，用于检测电子设备的电池的温度，比较电池温度和第一温度阈值并根据比较结果向所述电源管理模块输出表示是否超温的第一指示信号，及比较电池温度与第二温度阈值并根据比较结果向所述充电管理模块输出表示是否超温的第二指示信号；

所述电源管理模块，用于在所述第一指示信号表示超温时，执行关机操作；

所述充电管理模块，用于在所述第二指示信号表示超温时，停止对所述电池充电，在所述第二指示信号表示不超温时，允许对所述电池充电；

所述温度检测比较模块中用于检测所述电池的温度及比较电池温度和第一温度阈值并根据比较结果向所述电源管理模块输出表示是否超温的第一指示信号的电路采用分立元件实现。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述温度检测比较模块包括：

第一检测单元，采用分立元件实现，用于检测所述电池的温度并比较电池温度和第一温度阈值，在电池温度小于第一温度阈值时，输出表示不超温的第一指示信号，否则，输出表示超温的第一指示信号；

第二检测单元，用于检测所述电池的温度并比较电池温度和第二温度阈值，在电池温度大于或等于第二温度阈值时，输出表示超温的第二指示信号；在电池温度小于第三温度阈值时，输出表示不超温的第二指示信号；在其他情况下，维持第二指示信号的原有状态不变。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述第一检测单元包括：

第一检测电路，包括电阻网络，该电阻网络与所述电池中的热敏电阻构成分压电路，将电池温度转换为第一电压信号并输出到第一比较电路；

第一比较电路，采用非迟滞电压比较器来比较对应于电池温度的第一电压信号和对应于第一温度阈值的第一参考电压信号，输出所述第一指示信号。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：

所述第二检测单元包括：

第二检测电路，包括电阻网络，该电阻网络包括与所述电池中热敏电阻构成的分压电路，将电池温度转换为第二电压信号输出到第二比较电路；

第二比较电路，采用迟滞电压比较器或集成到所述充电管理模块中的IC电路来比较对应于电池温度的第二电压信号、对应于第二温度阈值的第二参考电压信号和对应于第三温度阈值的第三参考电压信号，输出所述第二指示信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一温度阈值为60℃，第二温度阈值为45℃。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述第三温度阈值为25℃～35℃。

7.一种无线数据通信终端，包括用于处理所述无线数据通信终端的各项通信业务的主处理模块，其特征在于，包括：

根据权利要求1至6中任一项所述的电池过温检测与保护装置；

其中，第一检测单元输出的第一指示信号连接到所述主处理模块，所述主处理器在其指示不超温时，允许开机，否则不允许开机。