GSM手机电源和充电电路分析与维修.ppt

第3章GSM手机电源和充电电路分析与维修 教师 周文强课程 手机检测与维修 本章要点 3 1手机稳压电源概述3 2手机电源管理IC介绍3 3手机电源电路工作过程和基本组成3 4手机典型电源电路分析3 5手机充电电路分析3 6GSM手机不开机和充电故障的维修 3 1手机稳压电源概述 3 1 1低压差线性稳压器LDO3 1 2开关型DC DC变换器1 电感式DC DC变换器 掌握 1 升压式DC DC变换器 VIN VOUT 2 降压式DC DC变换器 VIN VOUT 3 电压反转式DC DC变换器 VIN VOUT 2 电容式 电荷泵式 DC DC变换器 了解 3 1 1低压差线性稳压器LDO LDO LowDropoutRegulator 是通过输出电压反馈 经误差放大器等组成的控制电路来控制调整管的管压降VDO 即压差 来达到稳压的目的 它的特点是 VIN必须大于VOUT 调整管工作在线性区 无论输入电压的变动或负载电流的变化引起输出电压变动时 通过反馈及控制电路 改变VDO的大小 使输出电压VOUT基本不变 LDO输出电压的控制 EN 或SHDN 为LDO输出控制端 一般由微处理器加低电平 或高电平 使LDO关闭 或工作 在关闭电源状态时 耗电约1 A 有些LDO稳压器还设有电源工作状态信号输出 当电源工作正常时 输出高电平 当电源有故障或输出电压低于正常电压5 以上时 输出低电平 此信号可输入CPU或LED指示电路作故障或输出电压过低报警 LDO特点 1 LDO具有成本低 封装小 外围器件少 2 输出电压噪声小 电磁干扰 EMI 小 信噪抑制比高 适合对噪声敏感的射频电路和音频电路的供电电路 3 转化效率低 只能用于降压 LDO的效率取决于输出电压与输入电压之比 Vo Vi 在输入电压为3 6V的情况下 输出电压为3V时 效率为90 9 而在输出电压为1 5V时 效率则下降为41 7 3 1 2开关型DC DC变换器 1 电感式DC DC变换器 掌握 2 电容式 电荷泵式 DC DC变换器 了解 两者相同 都是先储存能量 再以受控的方式释放能量 从而得到所需的输出电压 两者不同 电感式DC DC变换器采用电感储存能量 而电容式DC DC变换器采用电容储存能量 1 电感式DC DC变换器 1 升压式DC DC变换器 VIN VOUT 2 降压式DC DC变换器 VIN VOUT 3 电压反转式DC DC变换器 VIN VOUT 升压式DC DC变换器 开关管VT在控制电路的控制下工作在开关状态 在开关管导通期间 储能电感L上储存能量 在截止期间 储能电感L感应出左负右正的脉冲电压 与VIN电压叠加后 经整流二极管VD整流 电容C滤波 产生高于输入电压VIN的输出电压VOUT 为负载供电 降压式DC DC变换器 开关管在控制电路的控制下工作在开关状态 开关管导通时 VIN电压经开关管S D极 储能电感L和电容C构成回路 充电电流不但在C两端建立直流电压 而且在储能电感L上产生左正右负的电动势 开关管截止期间 由于储能电感L中的电流不能突变 所以 L通过自感产生左负右正的脉冲电压 于是 L右端正的电压 滤波电容C 续流二极管D L左端构成放电回路 放电电流继续在C两端建立直流电压 C两端获得的直流电压VOUT 为负载供电 电感式DC DC变换器的特点 1 转换效率高 损耗小 转换率可达80 93 2 输入 输出电压差值很大时 不影响开关管的损耗 3 电源方案中电感和电容面积大 4 输出电压噪声大 电磁干扰 EMI 大 信噪抑制比低 输出纹波有几十毫伏到上百毫伏 线性稳压器仅有几十到上百微伏 相差约千倍 采用电感式DC DC变换器电磁干扰 EMI 大 进行PCB布板时必须格外小心 2 电容式 电荷泵式 DC DC变换器 电容式DC DC变换器是利用电容作为储能元件 其内部的开关管阵列控制着电容的充放电 电容式DC DC变换器同样可以完成升压 正压输出 降压 负压输出 等功能 手机主要电路对应供电方式 1 低压差线性稳压器2 DC DC变换器 3 2手机电源管理IC介绍 电源管理单元PMU PowerManagementUnit 主要承担供电任务和其他单元功能 如SIM接口 音频等 一般包含以下电路 多个DC DC变换器 通常是2 3个 数个LDO 通常是6 14个 充电电路 保护电路 电量检测及其他功能单元电路 优势 简化电源电路 降低电源电路故障率 提高手机工作的可靠性 3 3手机电源电路工作过程和基本组成 按下开机键后 电源IC输出供电给CPU和13MHz振荡电路 使13MHz振荡电路工作 产生系统时钟信号13MHz输入到CPU 同时 电源IC输出复位信号复位CPU 经过一定时钟周期 CPU将内部寄存器清零 当复位端电压变为高电平后 CPU开始要执行程序 CPU先通过CE端 片选端 呼叫存储器 Flash 存储器从OE端 数据输出使能 回应CPU CPU再通过数据总线和地址总线从存储器里取出主运行程序进行处理 将中间数据存于暂存器 SRAM 另外从码片 E2PROM 中取出参数设置 进行处理 CPU此时输出维持电压 如果逻辑电路与软件正常 CPU将数据传给显示屏 显示开机内容 若不正常则撤除维持电压 使电源IC断电 3 3 1手机电源电路的基本工作过程 手机开机电路包括 开机按键 电源IC CPU 13MHz振荡电路 存储器 Flash 暂存器 SRAM 码片 E2PROM 3 3 2手机电源电路的组成 1 电池供电电路2 电源切换电路3 开机和开机维持电路4 LDO 开关型DC DC变换器和电源管理IC5 电源输出电路 1 电池供电电路 手机电池通过4条线和手机相连 即电池正极 BATT等 电池数据或电池信息 BSI BATID BATT SER DATA等 电池温度 BTEMP 电池地 GND 手机电池通过3条线和手机相连 即电池正极 电池信息和电池地 手机电池常用符号有VBATT VBAT BATT BATTP BATT VB VBB B V IN等表示 手机电池数据检测电路 通过封装在电池内部的下拉电阻RS来识别电池类型 当手机装上电池时 电阻RS与电阻R270组成一个分压电路 不同的RS阻值会得到不同的电压 电源管理IC内的A D转换器读取BSI信号线的直流电压 来获取电池数据信息 BSI信号线的最大电压为2 8V 手机电池信息与手机的开机也有一定的关系 若接触不良 手机可能不开机 2 电源切换电路 电池电源BATT 外接USB接口电源USB PWR 二者经切换后产生公共电压B 当不插外部电源时 BATT 信号分两路输出 一路经过D203 R281送到Q255的G1极 于是Q255的D1 S1导通 Q255的D1极输出低电平 控制Q252的G极为低电平 于是Q252的D S极导通 BATT 通过Q252的D S极转换成B 电压 当插入外部电源时 外部电源检测信号CHG DET为 H MIDRATE CTRLB信号为 L U257 1输出 H 加到Q256的G1极 于是Q256管的D1 S1导通 控制Q256的D1极为低电平 一方面 把Q251管的G极拉成低电平 Q251启动工作 其D S极导通 USB PWR转换成B 电压向手机供电 另一方面 Q256的D1低电平还加到Q255的G2极 使Q255的S2 D2极导通 Q255的D2极为高电平 加到Q252的G极 这样Q252则关闭BATT 到B 的电路 手机完成启动外部供电 摩托罗拉E680手机电源切换电路原理图 3 开机和开机维持电路 1 开机电路手机开机方式 第一种是高电平开机第二种是低电平开机判断方法 如果开机键的一端接地 则该手机是低电平触发开机 如果开机键的一端接电池 则该手机是高电平触发开机 手机开机键的符号有ON OFF ONKEY PWRON OFF PWRON PWRONX PWRSW POWKEY POWERSWITCH XPWRON等表示 2 开机维持电路 手机开机后 开始运行开机程序 运行通过后 CPU需要输出一个维持信号来维持手机各路供电输出 手机维持信号符号 1 摩托罗拉手机 西门子等手机多使用WDOG WATCHDOG2 三星手机多使用PS HOLD BBPWR PWRKEEP3 诺基亚手机多使用CCONTCSX4 松下手机多使用IGNITION5 其他手机采用WA DOG DCON VALON等 5 电源输出电路 1 非受控电源输出电路只要按下开机键就有输出 这部分电压大部分供给逻辑电路 基准时钟电路 以使逻辑电路具备工作条件 即供电 复位 时钟 并输出开机维持信号 维持手机的开机 非受控电压一般是稳定的直流电压 可以用万用表测量 电压值就是标称值 2 受控电源输出电路电源电路除输出非受控电压外 还输出受控电压 也就是说 输出的电压是受控的 这部分电压大部分供给手机射频电路中的压控振荡器 功放 发射VCO等电路 手机为什么要输出受控电压呢 一是这个电压不能在不需要的时候出现 否则手机工作就紊乱了 二是为了省电 使部分电压不需要时不输出 受控电压一般受CPU输出的RXEN 接收使能 TXEN 发射使能 等信号控制 由于RXEN TXEN信号为脉冲信号 因此 输出的电压也为脉冲电压 需用示波器测量 用万用表测量要小于标称值 诺基亚和摩托罗拉手机输出电压符号 3 4手机典型电源电路分析 1 过压 欠压保护电路2 电源管理IC供电电路3 电子开关和稳压器供电电路4 时钟电路5 手机开关机过程 3 4 1三星Z500手机电源电路分析 一 过压 欠压保护电路手机电池电压并不是直接加到手机的电源电路中 而是通过过压 欠压保护电路U410 MAX4842EXT 和电子开关管U411 SI1426DH 加到电源电路中 好处 使手机工作在正常的电压范围之内 过压和欠压时保护手机 过压保护集成电路MAX4842EXT的引脚功能 过压 欠压保护电路的工作过程 装上电池 VBATT电池电压经电池接口CN402的 脚分为两路 一路送入过压保护集成电路U410的 脚 另一路送入电子开关管 N沟道场管 U411的 脚 D 因U410的 脚 使能控制 接地 于是 U41O导通 从其 脚送出一个高电平 送给电子开关管U411的 脚 G 控制U411的D S极导通 U411导通后 从U411的 脚 S 送出V IN 电池转化电压 电压为3 6V 二 电源管理IC供电电路 三星Z500手机电源管理IC供电电路以U401 PM6650 为核心构成 电源管理IC内部集成了13个稳压器 共产生以下各路供电 31 32脚送出VREG MSMC 1 37V逻辑供电 电压为1 37V 主要给CPU供电 若无 则导致手机不开机 36 37脚送出VREG MSME 1 8V逻辑供电 电压为1 8V 主要给CPU及版本IC供电 若无 则导致手机不开机 10脚送出VREG USB 3 3VUSB供电 电压为3 3V 若无 则USB功能失效 39脚送出VREG MMC 2 8V多媒体卡供电 电压为2 8V 若无 则导致手机不认多媒体卡 42脚送出VREG USIM 3 0V卡供电 电压为3V 若无 则导致手机不认卡 50脚送出VREG MSMP 2 6V逻辑供电 电压2 6V 主要给CPU及版本IC供电 若无 则导致手机不开机 三星Z500手机电源管理IC13个稳压器 56脚送出VREG MSMA 2 6V音频供电 电压2 6V 若无 则导致手机无信号且无声音 64脚送出VREG BT 2 8V蓝牙模块供电 电压2 8V 若无 则导致手机蓝牙功能失效 67脚送出VREG RFRX2 2 8V接收供电 电压2 8V 若无 则导致手机无信号 69脚送出VREG RFRX 2 8V接收供电 电压2 8V 若无 则导致手机无信号 73脚送出VREG RFTX 2 8V发射供电 电压为2 8V 若无 则导致手机不发射 81脚送出VREG SYNT 2 8V频率合成供电 电压2 8V 若无 则导致手机无信号 84脚送出VREG TCXO 2 8V时钟供电 电压为2 8V 若无 则导致手机不开机 三 电子开关和稳压器供电电路 电子开关和稳压器供电电路组成 1 电子开关U402 MIC94060BC6 2 LDO稳压器U405 MIC5205 2 7BM5 3 LDO稳压器U407 MIC2212 MMBML 4 LDO稳压器U408 MIC2211 JGBML 1 电子开关U402 MIC94060BC6 U402 MIC94060BC6 是一个电子开关 其 脚为电压输入端 来自于手机电池电压 脚为输出端 脚是否有输出 受控于 脚的使能信号 当 脚为高电平时 脚有输出 脚输出的VATT LCD电压为小屏显示供电 电压为3 6V 若无 导致小屏无显示 2 LDO稳压器U405 MIC5205 2 7BM5 U405 MIC5205 2 7BM5 是一个LDO稳压器 脚为输入端 脚为输出端 脚为使能端 高电平使能 脚外接旁路电容 脚是否有输出 受控于 脚的使能信号 当 脚为高电平时 脚有输出 脚输出的YMU VDD2 7V电压 为各路IC供电 电压为2 7V 若无 则导致手机无音乐 3 LDO稳压器U407 MIC2212 MMBML U407 MIC2212 MMBML 内含两个输出电压为2 8V的LDO稳压器 4 LDO稳压器U408 MIC2211 JGBML U408 MIC2211 JGBML 内含一个输出电压为2 5V的LDO稳压器和输出电压为1 8V的LDO稳压器 四 三星Z500手机时钟电路 1 32 768kHz晶体OSC4012 19 2MHz时钟晶振OSC2013 48MHz晶体OSC3014 电源管理IC U401 5 CPU U302 1 32 768kHz时钟电路 装上电池 VBATT电池电压通过保护电路输出V IN电压 送入电源管理IC U401 的 脚 令U401驱动32 768kHz晶体OSC401工作 产生32 768kHz时钟信号 在电源管理IC内部整形后从其 脚送出SLEEPCLK休眠时钟信号 送给CPU的A16脚 实际维修中 若32 768kHz晶体OSC401损坏 会导致手机不开机 32 768kHz时钟信号的主要作用有两个 一是作为手机时间显示的标准时钟信号 二是加到CPU电路后作为手机待机状态的睡眠时钟信号 使手机和基站通信间隔加长 手机更省电 但不影响正常使用 2 19 2MHz时钟电路 CPU得到逻辑供电后 经内部转换 从CPU的F18脚送出一个2 6V的TCXO EN时钟启动信号 加到电源管理IC U401 的55脚 令U401从其84脚送出一个电压为2 8V的VREG TCXO 2 8V时钟供电电压 19 2MHz晶振的4脚得到时钟供电后 产生19 2MHz时钟信号 从其3脚送出 分三路输出 一路经C410送入U401的58脚 在其内部放大后 从其53脚送出 再经R406送给CPU的A18脚 一路经C232送入频率合成器U203的28脚 另一路经R109 C130送入中频IC U102 的6脚 实际维修中 若19 2MHz晶振OSC201虚焊或损坏 会导致手机不开机或无信号 19 2MHz时钟信号的主要作用有两个 一是为CPU提供开机时所需的时钟信号 作为CPU的工作条件之一 二是经分频或倍频后作为手机频率合成器 调制与解调电路的基准时钟信号 3 48MHz时钟电路 CPU得到逻辑供电及19 2MHz时钟后 马上驱动48MHz晶体OSC301 产生48MHz时钟信号 给CPU提供一工作时钟信号 在实际维修中 48MHz晶体OSC301虚焊或损坏也会导致手机不开机 48MHz时钟信号的主要作用是 当手机开机后通话或运行程序时 工作时钟由19 2MHz时钟信号转为48MHz时钟信号 使手机工作速度加快 运行程序更加快捷 五 三星Z500手机开关机过程 1 32 768kHz晶体OSC4012 19 2MHz时钟晶振OSC2013 48MHz晶体OSC3014 电源管理ICU4015 版本ICU3016 CPU 1 开机过程 装上电池 VBATT电池电压经电池接CN402的1脚 送入U410的1脚与U411的1 2 5 6脚 U410 U411导通产生V IN 送入电源管ICU401的3 5 6 77 29 33 35 41 52 54 65 71 83脚 电源管理ICU401得到V IN电池电压后 从U401的24脚输出一个3V以上的开机触发电压 为开机做好准备工作 三星Z500手机开关机原理图 三星Z500手机开关机工作原理 按下开机键后 将U401的24脚电平拉低 驱动U401工作 分别从其31 37 50 56脚送出VREG MSMC1 37 VREG MSME1 8V VREG MSMP2 6V VREG MSMA2 6V逻辑供电 加到CPU 此时CPU满足工作所需的 电源 条件 CPU得到逻辑供电后 从其F18脚送出一个电压为2 6V的TCXO EN时钟启动信号 送给U401的55脚 令U401从其84脚送出一个2 8V的VREGTCXO 2 8V时钟供电信号 19 2MHz晶振OSC201的 脚得到时钟供电信号后 产生19 2MHz时钟信号 经C410送入U401的58脚 缓冲后从其53脚送出 经R406送入CPU的A18脚 此时CPU满足工作所需的 时钟 条件 接着 U401的 脚送出一个2 6V的PON RESET N复位信号 送给CPU的F14脚 此时CPU 满足工作所需的 复位 条件 CPU在得到供电 时钟及复位后 开始工作 并从版本U301内部调用并运行开机程序 一旦运行通过后 CPU从D7脚送出一个电压为2 6V左右的PS HOLD开机维持信号 送给U401的57脚 用于维持各路供电持续输出 完成开机过程 2 关机过程 手机关机后 电源管理ICU401的24脚又变为3 6V左右的高电平 同时U401的59脚送出PM INT N电源中断信号 送给CPU的D6脚 用于检测关机 当再次按下开机键后 U401的1脚电平再次被拉低 同时将CPU的D6脚电平也拉低 于是 CPU撤消开机维持信号 完成关机过程 3 5手机充电电路分析 一 手机充电电路的组成1 充电检测电路 检测充电器是否插入手机充电座 2 充电驱动电路 控制外接电源向手机电池进行充电 3 电池电量检测电路 检测充电电量的多少 当电池充满电时 向逻辑电路提供一 充电已好 的信号 于是 逻辑电路控制充电电路断开 停止充电 二 手机常用充电电路分析 手机常用充电电路有两种形式 1 采用专用充电控制芯片 2 将充电控制电路集成在电源管理IC中 配合少量外围元件组成充电电路 1 采用专用充电芯片的充电电路 三星E808手机充电电路以U204 IXC4054ES5 4 2 为核心构成 LTC4054ES5 4 2是凌特公司推出的ThinSOT封装150mA锂离子电池充电器 充电电流从10 150mA可编程 需要外接MOSFET 传感电阻或阻塞二极管 具有恒流 恒压和自动重新充电功能 能直接从USB口对单个锂离子电池充电 预置电压为4 2V 精度为 1 具备软启动 过流保护功能 三星E808手机充电电路 三星E808手机充电电路 1 当LTC4054ES5 4 2的 脚电压 即电池电压 低于2 9V时 LTC4054ES5 4 2进入涓流充电模式 在这种模式下 只允许流过少量 几十毫安 的电流 2 当电池电压充到2 9V以上时 LTC4054ES5 4 2进入恒流充电模式 以便为负载提供较高的电流 3 当电池电压充到4 2V时 LTC4054ES5 4 2进入恒压充电模式 并且充电电流开始减小 4 当充电电流减小到设置的极限值时 LTC4054ES5 4 2停止输出 三星E808充电电路工作原理 手机充电器插入尾插后 尾插接口中的充电电压 V EXT CHARGE 一方面加到充电控制电路U204的供电端 脚 另一方面 V EXT CHARGE还经R237 R238分压后加到Q202内部场效应管T1的栅极G1 控制T1导通 由于Q202的T1管D1极接CHARGEROK信号 来自尾插 因此 T1导通后 将导致CHARGEROK信号降为低电平 低电平的CHARGEROK信号被送到电源管理电路U400 不但完成充电开机功能 而且还经I2C总线送到CPU电路 经检测后 确认是尾插充电器插入 三星E808充电电路工作原理 当CPU感知到充电器已插入后 开始输出低电平CHGON控制信号 加到三极管Q201的基极 Q201截止 于是 充电电压v EXT CHARGE经R236 R239 因Q201已截止 R239可以接入电路 分压后 加到Q202的T2管的栅极G2 控制T2导通 T2导通后 U204 LTC4054ES5 4 2 的 脚外接电阻R235经T2的D2 S2接地 因此 U204 LTC4054ES5 4 2 内部的充电驱动电路开始工作 并从U204 LTC4054ES5 4 2 的 脚输出充电电压 一方面为手机电池充电 另一方面 还经电阻R233 R234分压后产生MES BATT电池充电信息信号 加到CPU电路 以便CPU了解电池电量的准确信息 当充电完成后 U204 LTC4054ES5 4 2 的 脚变为高阻 由于 脚外接上拉电源VDD2的 脚外接电阻R235不能接地 因此 U204 LTC4054ES5 4 2 内部的充电驱动电路停止工作 2 将充电电路集成在电源管理IC中的充电电路 目前生产的很多手机 充电电路大多集成在电源管理IC芯片中 不但简化了整机电路 而且还增加了工作的可靠性 摩托罗拉V5OO手机的充电电路 摩托罗拉V5OO充电电路工作原理 当充电器从尾插连接到手机时 充电电源电压RAW EXT B 送到电源管理IC U900 的OV SENSE脚 经U900检测后 作为充电器已插入的检测信号 当手机已检测到充电器已插入时 U900输出低电平信号OV GATE到Q954 控制Q954导通 输出低电平控制信号CHRGC到Q950 控制Q950导通 Q954 Q950导通后 充电电源电压RAW EXT B 经Q954 Q950 VR951对手机电池进行充电 电路中 R950为取样电阻 充电电压经R950送到充电管Q950与U900的ISENSE脚 U900根据R950阻值的大小 可计算出R950上的充电电流 该电流和标准电流相比较后输出充电控制信号 控制Q950的导通程度 进一步控制充电电流的大小 摩托罗拉V5OO充电电路工作原理 当U900的BATT 脚检测到电池电压足够高时 U900控制CHRGC端输出一个高电平信号 Q950截止 外接电源停止给手机充电 U900的OVGATE脚还用于过压保护 当U900通过OVSENSE脚检测到充电电压过高时 U900控制OVGATE脚输出高电平 控制Q954截止 断开充电电压与手机内部电路的联系 达到了保护手机电路的目的 3 6 1GSM手机不开机故障的维修 1 按开机键电流表指针不动此种情况一般为开机键断路或者是开机线断路 也可能是电池电压未加到电源管理IC上 具体原因有以下几个方面 按键脏 按键本身断线 按键板与主板接触不好 按键板内联座接触不好 电源管理IC虚焊 电池供电电路断路或接触不良 2 按开机键电流表几乎不动 在0 15