手机供电过程中的智能化控制

　　摘 要：手机的工作过程也是电池的放电过程，在该过程中实施智能化控制，对延长手机待机时间、改善通话质量、提高使用效率、延缓电池的使用寿命具有决定性的作用。结合GSM手机电池供电的典型电路，对放电时的断续供电、脉冲供电、动态变压供电和低电量识别关机等新型供电方式中的智能化控制做了理论上的论述和剖析；解决了以往连续供电所带来的能耗大、效率低的问题，对进一步改进和优化手机电路有一定的指导作用和参考价值。
　　关键词：手机电池；供电方式；智能化控制；控制电路
　　中图分类号：TP274,TN710 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1607504
　　
　　Intelligent Control of Cell Phone Power Supplying
　　WEI Bingguo
　　(Puyang Polytechnic College,Puyang,457000,China)
　　
　　Abstract：The work process of cell phone is also the process of discharge of battery,the intelligent control of the process plays a decisive role in the extension of standby time improving the quality of calling increase efficiency and extending battery life and so on.Based on the typical circuit in GSM cell phone,this paper gives theoretical naration and analysis of intermittent power supply,pulse power supply,dynamic variablevoltage power supply,low power recognition shutdown,etc.It solves the problem of large power consumption and low efficiency.It has the function of guiding and value of reference for further improving and optimizing the circuit of mobile phones.
　　Keywords：battery charge;power supply mode;intelligent control;control circuit
　　
　　手机是移动通信的终端，是实现在移动、漫游过程中传送信息的载体，由于其传递信息的无线特性以及在移动过程中脱离导线供电的特点。其电能释放持续的时间是衡量手机性能好坏的重要指标，手机电池在放电过程中实施智能化控制，是手机设计、制造时需要首先考虑的问题，智能化程度的高低直接影响到手机电池的使用寿命、电池充电后的待机时间、通话质量等。因此，对手机电池放电过程实施智能化控制具有很强的必要性。
　　手机工作时供电过程不同于电视机、收音机等电器，电视机、收音机等一旦开机工作，耗电量几乎恒定，电源放（供）电电流几乎是一定值。而手机则不同，因为手机在不同的状态下启动工作的单元电路并不一样，它在不同的状态以及同一状态不同的时刻耗电量会有很大的差别，有时会达到几十倍到上百倍。因此，手机电池放电时在CPU和预先设定程序的控制下，其放电电流是随机变化的。
　　
　　1 收发电路的断续供电方式
　　
　　由于手机MS(移动台)既是接收机，又是发射机，考虑到信道的有限和手机数量的猛增，目前以TDMA为主流的手机以及即将普及的以CDMA为主导技术的3G手机，从工作的时间段上划分为帧和时隙，每帧4.6 ms中包含8个0.577 ms的时隙，每部手机通话时只在自己被分配到的特定时隙内收发信息，并且工作的时隙是断续的，如图1所示，这种工作方式就决定了手机内大部分电路是处于断续的工作状态或特定状态下才进入断续的工作状态，其他时候不工作，从能量的角度看既节约了电能又延长了手机的待机时间。
　　
　　图2为摩托罗拉手机V998中的收发电路的供电电路，U₉₁₃为电源供电转换模块；B.+是电池电压；RFV₁，RFV₂是分别供收、发部分电路使用的电压；Q₂₄₀，Q₂₄₂为2只N沟道增强型FET，沟道的有无受F₁，H₂引脚电压的控制，当F₁，H₂的电压为高电平时，Q₂₄₀，Q₂₄₂内部产生沟道，RFV₁，RFV₂相应的出现，RFV₁，RFV₂对应的供电部分开始工作，根据手机所处状态及所在的时刻不同，有时RFV₁有输出RFV₂为0；有时RFV₂有输出RFV₁为0；有时两者同时无输出。由于收发电路不会同时工作，故RFV₁，RFV₂不会同时有输出。F₁，H₂高电平的出现完全受控于CPU，CPU根据手机当前所处的状态以及从基站传来的信息决定F₁、H₂电平的高低，从图1可知，既使在通话状态下，收、发电路也是处于断续的工作状态。
　　
　　发射电路在下列状态下工作：当开机入网时，手机要通过信道向基站和移动中心发射手机SIM卡中的有关密码和信息；在待机状态下移动中心通过基站每间隔一定的时间要寻呼手机，以确定手机的位置和状态，此时手机应向基站回应，发送有关的信息；在待机状态下，有来电时，手机应通过发射电路向移动中心回应，以便得到移动中心分配的通话信道；在手机通话状态下，要向移动中心发射语音信息和手机的有关信息；每一个基站BS发射的信号所覆盖的范围称为一个小区，当手机运动中跨区时，也要启动发射电路与基站进行通信，以便进入新的小区后变换信道；手机在漫游的过程中，从一个移动局的属地进入另一个移动局的属地，无论手机是处于通话状态还是待机状态，都会通过收、发电路与基站和移动中心联系，以便及时实现跨局登记并切换到新的信道上。故在上述时间段内H₂在相应的时隙有高电平输出，使得Q₂₄₀导通，RFV1有输出启动接收电路工作。
　　接收电路在如下几种状态下工作：开机寻找信道及入网时；通话期间；待机的全过程；越区和漫游跨局时等。在这些时间段相应的接收时隙F₁会有高电平输出，使Q₂₄₂导通，RF –V₂有输出，启动接收电路工作。
　　
　　2 短时的脉冲供电方式
　　
　　
　　2.1 读卡供电电路
　　SIM卡即用户识别卡（Subscriber Identity Module）是手机中的关键部件，正是由于手机卡的存在实现了电话号码随卡不随机。SIM卡内存有：生产商存入的通信系统原始数据；GMS运营商将卡发给用户时注入的网络参数和用户数据（例鉴权和加密信息、国际移动用户号INSI、IMSI认证算法、密码生成算法）；用户存入的数据（短信息、通话记录、电话本、话费记录）等。由于上述特性决定了手机与SIM卡的联系是定时的短暂的，即只在特定的情况下手机与SIM卡之间才进行数据交换，例如开机入网时，关机时，通话时，漫游跨局和越区时等，并且由于交换的数据量不大，因而它们之间数据交换的时间是短暂的。对SIM卡的供电设计是：一旦手机与SIM卡交换信息时给SIM卡送去5个断续的脉冲，这5个脉冲相当于给SIM卡做了5次短时的供电，在这5次短时的供电时间内，足可以将手机与SIM卡交换的信息调入、调出。平时只要手机不与SIM卡通信，SIM卡则处于零耗电状态。
　　如图3所示是爱立信768/788手机中的卡供电电路。V₇₆₀是P沟道增强型效应管，控制栅极G相对于源极S有较低的电压时V₇₆₀才导通，5 V的VSIM才能加到SIM卡的供电端SIMVCC，平时在CPU D600不与SIM卡通信时D600的SIMPWR为低电平，故带阻三极管V761导通，+5 V的VSIM加到V₇₆₀的G极，因而V₇₆₀截止。SIM的SIMVCC端无电压故SIM不工作，手机与SIM卡通信时D600的SIMPWR端输出断续的5个脉冲，加到V761的基极，每个脉冲到来时V761均会由原来的导通转为截止，V₇₆₀由截止转为导通给SIMVCC端供电1次，从而完成读卡过程。
　　
　　2.2 照明、振铃和振动器供电控制电路
　　在待机状态下对手机进行任意操作时，为方便使用者辨别按键及光屏上显示的字符，CPU会及时输出控制信号启动屏光屏LCD和键盘的照明电路，照明器件一般采用发光二极管LED或电致发光板。当有来电时，CPU不仅启动照明电路还会启动振铃或振动器电路。整个控制过程均是由版本存储器FLASH中的主程序通过CPU进行。如图4所示，其中D<1~D<10为用于键盘及LCD照明的发光二极管，V₂0为振动器M的驱动管，V₅为振动器控制FET，V₂3是振铃器BUZZER和发光二极管D<1~D<10的驱动管。
　　一旦有来电或进行键盘操作时，CPU的LIGHT控制端由低电平转为高电平，加到V₂3的2脚，使V₂3的1、3脚之间导通，电池VBATT放电，将发光二极管D<1~D<10点亮，即使停止操作CPU的LIGHT端高电平也会按设定值持 续一段时间，然后转为低电平，D<1~D<10熄灭。
　　与照明电路有所不同的是，振铃和振动器在启动后应是断续的工作，以引起使用者的注意。手机设在振铃状态下，一旦有来电时，CPU D103从相应的BUZZ-EN脚输出频率为几千Hz的脉冲，加到功率驱动管V₂3的5脚，使V₂3的4,6脚之间导通，电池放电，脉冲电流驱动振铃器BUZZER发出几千Hz的音频。手机设在振动状态下，当有来电时，从CPU D<103的V1BEN脚输出具有一定宽度的断续的直流脉冲，当脉冲为高电平时，加到场效应管V₅的G极，V₅内沟道建立，D，S极导通，电池电压经稳压块V₂0，V₅加到振动器M上，电流流过振动器引起振动；当D<103 V1BEN脚输出低电平时，V₅内沟道消失，振动器由于电源被切断而停止振动，故V1BEN端的由高、低电平组成的断续脉冲就可以通过V₅控制振动器断续的振动。CPU各脚输出波形如图4所示。
　　
　　3 动态变电压供电方式
　　3.1 发射功率放大器供电电路
　　手机电路主要由射频、逻辑音频2大部分组成，其中射频部分的发射电路是消耗电流最大的部位，它一旦工作消耗电流可达几百mA，比平时待机电流十几mA大几十倍，因此功放部分的供电是在CPU的控制下独立设置的。
　　由于手机的发射电路是在特定时段按设定的时隙工作，且工作时手机的发射功率也不是一个恒定值，其大小受手机所处位置信号场强的影响，因而功放有时工作，有时不工作，输出功率有时大、有时小。功放的工作与否由功放级供电电压的有无控制，发射功率大小由给功放IC供电电压的高低来控制，而控制信号的来源是CPU。当手机进行通信时，它与基站BS通过信道的上、下行频率交换信息，当基站接收到的手机信号过强或过弱时，就会通过下行频率信道发出调整发射功率级别的指令，手机CPU接到该指令通过分析，就向功放电路发出控制信号，其中发出的发射开信号TXON是控制功放电路何时工作，PWRLEW(功率电平信号)是控制功放级发射功率大小的信号。
　　如图5所示，为爱立信788／768手机的功放供电控制电路，V₄₁₀为发射功率控制EFT，其源极S接电池，4.8 V的电池电压经EFT V₄₁₀从漏极D输出送至功放1C，显然输出电压的有无、高低与V₄₁₀导通状态有关，而V₄₁₀导通状态受栅极电压的控制。V₄₁₀是P沟道增强型FET，开启电压相对于源极为负，2只带阻三极管V₄₆₀ ，V₄₇₀的基极分别接功率电平控制信号PWRLEV和发射开关控制信号TXON，由于功放电路只在手机发射状态下工作，故TXON信号没到时V₄₇₀截止，V₄₁₀由于栅极为高电平而处于截止状态，故手机的功放级无电源电压而停止工作。只有手机处于发射时隙TXON信号到来，V₄₇₀饱和导通，来自手机CPU又经数模转换器N800转换出的发射功率电平等级信号PWRLEV使V₄₆₀导通，而且其导通的程度受PWRLEV电平高低的控制，而PWRLEV的电平高低与当前手机所处位置的信号场强有关，信号场强愈弱，表明手机距基站较远，手机传至基站的信号也弱，移动中心会通过基站向手机发出增大发射功率的信息，经手机接收分析后，会及时调态PWRLEV的数值，从N800输出的PWRLEV信号电平愈高，V₄₆₀导通电流愈大，R<412上的压降愈大，栅极G电压愈低，V₄₁₀内的沟道就越宽，漏极输出电压就越高，功放IC电源电压变高,手机发射功率就越大；反之当信号场强强时，CPU发出的PWRLEV电平变低，V₄₆₀导通电流会变小，R<412上压降变小，栅极G电压变高，通过V₄₁₀的控制，送到功放IC的电压变低，手机发射功率下降，从而通过供电电压的调整完成发射功率随信号场强协调变化的控制。
　　
　　
　　3.2 LCD液晶显示偏压电路供电控制
　　LCD正常工作时需要施加显示偏压V_LCD，VLCD的高低直接影响到LCD图像、字符显示的对比度，而最佳显示偏压与LCD所处环境的温度有关，因此显示偏压是随环境温度变化而变化的动态值，电压的产生与调整均是通过CPU完成。
　　如图6所示是爱立信788英文手机LCD显示偏压生成电路，该屏工作时所需显示偏压为4.4 V，而整机电路使用的是3 V左右的电压，这就需要电路将3 V左右的直流转换为4.4 V的直流。该电压的产生过程是：利用CPU D600的96脚输出的2.5 V具有一定宽度的脉冲以及3.2 V的直流电源，经电容C₇₇₁二极管D<1，D₂完成升压。当D600的96脚无脉冲时，3.2 V的VDIG经D<1对C₇₇₁充电,再经D₂对C₇₇₂充电,使C₇₇₁，C₇₇₂出现近3.2 V的电压,96脚2.5 V的脉冲到来后,C₇₇₁负极电位被垫高,正极电位达到2.5 V+3.2 V=5.7 V,该电压经D₂对C₇₇₂充电,使C₇₇₂上电压上升,脉冲宽度愈大,对C₇₇₂充电时间愈长,C₇₇₂上的电压愈高,考虑到C₇₇₂对LCD供电时的放电过程及D<1，D₂导通时的管压降,C₇₇₂实际输出的为4.4 V左右的电压，从C₇₇₂两端输出加到LCD上。电压的具体数值要随手机所处环境温度的变化做一定的调整，在多模转换器N800的46脚接有热敏电阻R₈₈₀，当环境温度变化时，通过R₈₈₀将温度变化转换成46脚TEMP电压的变化，再经N800内的A/D转换，通过总线传到CPU D600，CPU根据这一数据及时调整96脚输出脉冲的宽度，进而使VLCD及时得到修正，使LCD的显示达到最佳状态。
　　
　　4 电池低电量识别与关机控制电路
　　手机关机时的电池电压值是事先通过程序设置好并存在存储器中,CPU通过检测电路时刻监测着电池电压,电池在使用过程中随着电量的消耗电压在逐渐下降,当电池电压降到这一设定值时,CPU会执行关机程序,实现电池低电量关机。
　　如图7所示，为爱立信788/768的电池电压跟踪及低电量关机控制电路，其中N₄₀₂为充电控制IC，其17，19脚与电池的正极相连，它在手机使用过程中，监测着电池电压的高低，并将跟踪电压VTRACK转换为一定的模拟量由2脚输出送至多模转换器N800的47脚，在N800内通过A/D转换，以数字信号的形式通过总线送到CPU D600中；CPU将该数据与闪存器FLASH D610中储存的低电量关机数值进行比较，当发现当前电池电压等于或低于关机最低电压数值时，CPU就会运行D610中存储的关机程序，并输出关机控制信号。
　　
　　在实际使用过程中有的手机一开机就随即关机，表明电池电压已经低至关机电压以下，还有的手机开机后光屏上就显示低电量指示，表明CPU通过比较发现当前电池电压已经低于低电量告警电压但仍高于关机电压。即在电量的控制上低电量告警电压与低电量关机电压在数值上有一定的差值，显然此差值越大，手机从开始出现低电量告警到低电量自动关机中间待机的时间会越长。当然，手机不同、程序开发商不同此电压的差值也可能不同。
　　以上通过手机电池放电的几个典型电路，对手机中供电过程的智能化控制做了分析，不同的手机实现智能化的控制方式有所不同，但都是结合手机工作的特点，本着节能、拉长待机时间、延缓手机电池的衰老这一原则来进行，相信随着手机功能的增强，使用者对手机待机时间进一步延长的渴求，手机放电过程中的智能化控制程度会进一步加强，使手机电池的放电过程更科学、更完善。
　　
　　参 考 文 献
　　［1］潘涛涛,林家儒.第三代移动通信TDSCDMA的核心技术\.通信技术,2002(6):6971.
　　［2］张兴伟.手机电路原理与维修\.北京:人民邮电出版社,2007.
　　［3］陈子聪.手机维修技能实训\.北京:人民邮电出版社,2007.
　　［4］孙龙杰.刘立康.移动通信与终端设备\.北京:电子工业出版社,2003.
　　［5］章坚武.移动通信\.西安:西安电子科技大学出版社,
　　2003.
　　
　　作者简介 魏秉国 男,濮阳职业技术学副教授,中国电子学会高级会员。主要从事物理学、电子学的教学与科研工作。