摘 要：手機(jī)的工作過程也是電池的放電過程，在該過程中實施智能化控制，對延長手機(jī)待機(jī)時間、改善通話質(zhì)量、提高使用效率、延緩電池的使用壽命具有決定性的作用。結(jié)合GSM手機(jī)電池供電的典型電路，對放電時的斷續(xù)供電、脈沖供電、動態(tài)變壓供電和低電量識別關(guān)機(jī)等新型供電方式中的智能化控制做了理論上的論述和剖析；解決了以往連續(xù)供電所帶來的能耗大、效率低的問題，對進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化手機(jī)電路有一定的指導(dǎo)作用和參考價值。

關(guān)鍵詞：手機(jī)電池；供電方式；智能化控制；控制電路

中圖分類號：TP274，TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：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

手機(jī)是移動通信的終端，是實現(xiàn)在移動、漫游過程中傳送信息的載體，由于其傳遞信息的無線特性以及在移動過程中脫離導(dǎo)線供電的特點。其電能釋放持續(xù)的時間是衡量手機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)，手機(jī)電池在放電過程中實施智能化控制，是手機(jī)設(shè)計、制造時需要首先考慮的問題，智能化程度的高低直接影響到手機(jī)電池的使用壽命、電池充電后的待機(jī)時間、通話質(zhì)量等。因此，對手機(jī)電池放電過程實施智能化控制具有很強(qiáng)的必要性。

手機(jī)工作時供電過程不同于電視機(jī)、收音機(jī)等電器，電視機(jī)、收音機(jī)等一旦開機(jī)工作，耗電量幾乎恒定，電源放（供）電電流幾乎是一定值。而手機(jī)則不同，因為手機(jī)在不同的狀態(tài)下啟動工作的單元電路并不一樣，它在不同的狀態(tài)以及同一狀態(tài)不同的時刻耗電量會有很大的差別，有時會達(dá)到幾十倍到上百倍。因此，手機(jī)電池放電時在CPU和預(yù)先設(shè)定程序的控制下，其放電電流是隨機(jī)變化的。

1 收發(fā)電路的斷續(xù)供電方式

由于手機(jī)MS(移動臺)既是接收機(jī)，又是發(fā)射機(jī)，考慮到信道的有限和手機(jī)數(shù)量的猛增，目前以TDMA為主流的手機(jī)以及即將普及的以CDMA為主導(dǎo)技術(shù)的3G手機(jī)，從工作的時間段上劃分為幀和時隙，每幀4.6 ms中包含8個0.577 ms的時隙，每部手機(jī)通話時只在自己被分配到的特定時隙內(nèi)收發(fā)信息，并且工作的時隙是斷續(xù)的，如圖1所示，這種工作方式就決定了手機(jī)內(nèi)大部分電路是處于斷續(xù)的工作狀態(tài)或特定狀態(tài)下才進(jìn)入斷續(xù)的工作狀態(tài)，其他時候不工作，從能量的角度看既節(jié)約了電能又延長了手機(jī)的待機(jī)時間。

圖2為摩托羅拉手機(jī)V998中的收發(fā)電路的供電電路，U₉₁₃為電源供電轉(zhuǎn)換模塊；B.+是電池電壓；RFV₁，RFV₂是分別供收、發(fā)部分電路使用的電壓；Q₂₄₀，Q₂₄₂為2只N溝道增強(qiáng)型FET，溝道的有無受F₁，H₂引腳電壓的控制，當(dāng)F₁，H₂的電壓為高電平時，Q₂₄₀，Q₂₄₂內(nèi)部產(chǎn)生溝道，RFV₁，RFV₂相應(yīng)的出現(xiàn)，RFV₁，RFV₂對應(yīng)的供電部分開始工作，根據(jù)手機(jī)所處狀態(tài)及所在的時刻不同，有時RFV₁有輸出RFV₂為0；有時RFV₂有輸出RFV₁為0；有時兩者同時無輸出。由于收發(fā)電路不會同時工作，故RFV₁，RFV₂不會同時有輸出。F₁，H₂高電平的出現(xiàn)完全受控于CPU，CPU根據(jù)手機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)以及從基站傳來的信息決定F₁、H₂電平的高低，從圖1可知，既使在通話狀態(tài)下，收、發(fā)電路也是處于斷續(xù)的工作狀態(tài)。

發(fā)射電路在下列狀態(tài)下工作：當(dāng)開機(jī)入網(wǎng)時，手機(jī)要通過信道向基站和移動中心發(fā)射手機(jī)SIM卡中的有關(guān)密碼和信息；在待機(jī)狀態(tài)下移動中心通過基站每間隔一定的時間要尋呼手機(jī)，以確定手機(jī)的位置和狀態(tài)，此時手機(jī)應(yīng)向基站回應(yīng)，發(fā)送有關(guān)的信息；在待機(jī)狀態(tài)下，有來電時，手機(jī)應(yīng)通過發(fā)射電路向移動中心回應(yīng)，以便得到移動中心分配的通話信道；在手機(jī)通話狀態(tài)下，要向移動中心發(fā)射語音信息和手機(jī)的有關(guān)信息；每一個基站BS發(fā)射的信號所覆蓋的范圍稱為一個小區(qū)，當(dāng)手機(jī)運動中跨區(qū)時，也要啟動發(fā)射電路與基站進(jìn)行通信，以便進(jìn)入新的小區(qū)后變換信道；手機(jī)在漫游的過程中，從一個移動局的屬地進(jìn)入另一個移動局的屬地，無論手機(jī)是處于通話狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，都會通過收、發(fā)電路與基站和移動中心聯(lián)系，以便及時實現(xiàn)跨局登記并切換到新的信道上。故在上述時間段內(nèi)H₂在相應(yīng)的時隙有高電平輸出，使得Q₂₄₀導(dǎo)通，RFV1有輸出啟動接收電路工作。

接收電路在如下幾種狀態(tài)下工作：開機(jī)尋找信道及入網(wǎng)時；通話期間；待機(jī)的全過程；越區(qū)和漫游跨局時等。在這些時間段相應(yīng)的接收時隙F₁會有高電平輸出，使Q₂₄₂導(dǎo)通，RF –V₂有輸出，啟動接收電路工作。

2 短時的脈沖供電方式

2.1 讀卡供電電路

SIM卡即用戶識別卡（Subscriber Identity Module）是手機(jī)中的關(guān)鍵部件，正是由于手機(jī)卡的存在實現(xiàn)了電話號碼隨卡不隨機(jī)。SIM卡內(nèi)存有：生產(chǎn)商存入的通信系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)；GMS運營商將卡發(fā)給用戶時注入的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和用戶數(shù)據(jù)（例鑒權(quán)和加密信息、國際移動用戶號INSI、IMSI認(rèn)證算法、密碼生成算法）；用戶存入的數(shù)據(jù)（短信息、通話記錄、電話本、話費記錄）等。由于上述特性決定了手機(jī)與SIM卡的聯(lián)系是定時的短暫的，即只在特定的情況下手機(jī)與SIM卡之間才進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如開機(jī)入網(wǎng)時，關(guān)機(jī)時，通話時，漫游跨局和越區(qū)時等，并且由于交換的數(shù)據(jù)量不大，因而它們之間數(shù)據(jù)交換的時間是短暫的。對SIM卡的供電設(shè)計是：一旦手機(jī)與SIM卡交換信息時給SIM卡送去5個斷續(xù)的脈沖，這5個脈沖相當(dāng)于給SIM卡做了5次短時的供電，在這5次短時的供電時間內(nèi)，足可以將手機(jī)與SIM卡交換的信息調(diào)入、調(diào)出。平時只要手機(jī)不與SIM卡通信，SIM卡則處于零耗電狀態(tài)。

如圖3所示是愛立信768/788手機(jī)中的卡供電電路。V₇₆₀是P溝道增強(qiáng)型效應(yīng)管，控制柵極G相對于源極S有較低的電壓時V₇₆₀才導(dǎo)通，5 V的VSIM才能加到SIM卡的供電端SIMVCC，平時在CPU D600不與SIM卡通信時D600的SIMPWR為低電平，故帶阻三極管V761導(dǎo)通，+5 V的VSIM加到V₇₆₀的G極，因而V₇₆₀截止。SIM的SIMVCC端無電壓故SIM不工作，手機(jī)與SIM卡通信時D600的SIMPWR端輸出斷續(xù)的5個脈沖，加到V761的基極，每個脈沖到來時V761均會由原來的導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，V₇₆₀由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通給SIMVCC端供電1次，從而完成讀卡過程。

2.2 照明、振鈴和振動器供電控制電路

在待機(jī)狀態(tài)下對手機(jī)進(jìn)行任意操作時，為方便使用者辨別按鍵及光屏上顯示的字符，CPU會及時輸出控制信號啟動屏光屏LCD和鍵盤的照明電路，照明器件一般采用發(fā)光二極管LED或電致發(fā)光板。當(dāng)有來電時，CPU不僅啟動照明電路還會啟動振鈴或振動器電路。整個控制過程均是由版本存儲器FLASH中的主程序通過CPU進(jìn)行。如圖4所示，其中D<1~D<10為用于鍵盤及LCD照明的發(fā)光二極管，V₂0為振動器M的驅(qū)動管，V₅為振動器控制FET，V₂3是振鈴器BUZZER和發(fā)光二極管D<1~D<10的驅(qū)動管。

一旦有來電或進(jìn)行鍵盤操作時，CPU的LIGHT控制端由低電平轉(zhuǎn)為高電平，加到V₂3的2腳，使V₂3的1、3腳之間導(dǎo)通，電池VBATT放電，將發(fā)光二極管D<1~D<10點亮，即使停止操作CPU的LIGHT端高電平也會按設(shè)定值持 續(xù)一段時間，然后轉(zhuǎn)為低電平，D<1~D<10熄滅。

與照明電路有所不同的是，振鈴和振動器在啟動后應(yīng)是斷續(xù)的工作，以引起使用者的注意。手機(jī)設(shè)在振鈴狀態(tài)下，一旦有來電時，CPU D103從相應(yīng)的BUZZ-EN腳輸出頻率為幾千Hz的脈沖，加到功率驅(qū)動管V₂3的5腳，使V₂3的4，6腳之間導(dǎo)通，電池放電，脈沖電流驅(qū)動振鈴器BUZZER發(fā)出幾千Hz的音頻。手機(jī)設(shè)在振動狀態(tài)下，當(dāng)有來電時，從CPU D<103的V1BEN腳輸出具有一定寬度的斷續(xù)的直流脈沖，當(dāng)脈沖為高電平時，加到場效應(yīng)管V₅的G極，V₅內(nèi)溝道建立，D，S極導(dǎo)通，電池電壓經(jīng)穩(wěn)壓塊V₂0，V₅加到振動器M上，電流流過振動器引起振動；當(dāng)D<103 V1BEN腳輸出低電平時，V₅內(nèi)溝道消失，振動器由于電源被切斷而停止振動，故V1BEN端的由高、低電平組成的斷續(xù)脈沖就可以通過V₅控制振動器斷續(xù)的振動。CPU各腳輸出波形如圖4所示。

3 動態(tài)變電壓供電方式

3.1 發(fā)射功率放大器供電電路

手機(jī)電路主要由射頻、邏輯音頻2大部分組成，其中射頻部分的發(fā)射電路是消耗電流最大的部位，它一旦工作消耗電流可達(dá)幾百mA，比平時待機(jī)電流十幾mA大幾十倍，因此功放部分的供電是在CPU的控制下獨立設(shè)置的。

由于手機(jī)的發(fā)射電路是在特定時段按設(shè)定的時隙工作，且工作時手機(jī)的發(fā)射功率也不是一個恒定值，其大小受手機(jī)所處位置信號場強(qiáng)的影響，因而功放有時工作，有時不工作，輸出功率有時大、有時小。功放的工作與否由功放級供電電壓的有無控制，發(fā)射功率大小由給功放IC供電電壓的高低來控制，而控制信號的來源是CPU。當(dāng)手機(jī)進(jìn)行通信時，它與基站BS通過信道的上、下行頻率交換信息，當(dāng)基站接收到的手機(jī)信號過強(qiáng)或過弱時，就會通過下行頻率信道發(fā)出調(diào)整發(fā)射功率級別的指令，手機(jī)CPU接到該指令通過分析，就向功放電路發(fā)出控制信號，其中發(fā)出的發(fā)射開信號TXON是控制功放電路何時工作，PWRLEW(功率電平信號)是控制功放級發(fā)射功率大小的信號。

如圖5所示，為愛立信788／768手機(jī)的功放供電控制電路，V₄₁₀為發(fā)射功率控制EFT，其源極S接電池，4.8 V的電池電壓經(jīng)EFT V₄₁₀從漏極D輸出送至功放1C，顯然輸出電壓的有無、高低與V₄₁₀導(dǎo)通狀態(tài)有關(guān)，而V₄₁₀導(dǎo)通狀態(tài)受柵極電壓的控制。V₄₁₀是P溝道增強(qiáng)型FET，開啟電壓相對于源極為負(fù)，2只帶阻三極管V₄₆₀ ，V₄₇₀的基極分別接功率電平控制信號PWRLEV和發(fā)射開關(guān)控制信號TXON，由于功放電路只在手機(jī)發(fā)射狀態(tài)下工作，故TXON信號沒到時V₄₇₀截止，V₄₁₀由于柵極為高電平而處于截止?fàn)顟B(tài)，故手機(jī)的功放級無電源電壓而停止工作。只有手機(jī)處于發(fā)射時隙TXON信號到來，V₄₇₀飽和導(dǎo)通，來自手機(jī)CPU又經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器N800轉(zhuǎn)換出的發(fā)射功率電平等級信號PWRLEV使V₄₆₀導(dǎo)通，而且其導(dǎo)通的程度受PWRLEV電平高低的控制，而PWRLEV的電平高低與當(dāng)前手機(jī)所處位置的信號場強(qiáng)有關(guān)，信號場強(qiáng)愈弱，表明手機(jī)距基站較遠(yuǎn)，手機(jī)傳至基站的信號也弱，移動中心會通過基站向手機(jī)發(fā)出增大發(fā)射功率的信息，經(jīng)手機(jī)接收分析后，會及時調(diào)態(tài)PWRLEV的數(shù)值，從N800輸出的PWRLEV信號電平愈高，V₄₆₀導(dǎo)通電流愈大，R<412上的壓降愈大，柵極G電壓愈低，V₄₁₀內(nèi)的溝道就越寬，漏極輸出電壓就越高，功放IC電源電壓變高，手機(jī)發(fā)射功率就越大；反之當(dāng)信號場強(qiáng)強(qiáng)時，CPU發(fā)出的PWRLEV電平變低，V₄₆₀導(dǎo)通電流會變小，R<412上壓降變小，柵極G電壓變高，通過V₄₁₀的控制，送到功放IC的電壓變低，手機(jī)發(fā)射功率下降，從而通過供電電壓的調(diào)整完成發(fā)射功率隨信號場強(qiáng)協(xié)調(diào)變化的控制。

3.2 LCD液晶顯示偏壓電路供電控制

LCD正常工作時需要施加顯示偏壓V_LCD，VLCD的高低直接影響到LCD圖像、字符顯示的對比度，而最佳顯示偏壓與LCD所處環(huán)境的溫度有關(guān)，因此顯示偏壓是隨環(huán)境溫度變化而變化的動態(tài)值，電壓的產(chǎn)生與調(diào)整均是通過CPU完成。

如圖6所示是愛立信788英文手機(jī)LCD顯示偏壓生成電路，該屏工作時所需顯示偏壓為4.4 V，而整機(jī)電路使用的是3 V左右的電壓，這就需要電路將3 V左右的直流轉(zhuǎn)換為4.4 V的直流。該電壓的產(chǎn)生過程是：利用CPU D600的96腳輸出的2.5 V具有一定寬度的脈沖以及3.2 V的直流電源，經(jīng)電容C₇₇₁二極管D<1，D₂完成升壓。當(dāng)D600的96腳無脈沖時，3.2 V的VDIG經(jīng)D<1對C₇₇₁充電，再經(jīng)D₂對C₇₇₂充電，使C₇₇₁，C₇₇₂出現(xiàn)近3.2 V的電壓，96腳2.5 V的脈沖到來后，C₇₇₁負(fù)極電位被墊高，正極電位達(dá)到2.5 V+3.2 V=5.7 V，該電壓經(jīng)D₂對C₇₇₂充電，使C₇₇₂上電壓上升，脈沖寬度愈大，對C₇₇₂充電時間愈長，C₇₇₂上的電壓愈高，考慮到C₇₇₂對LCD供電時的放電過程及D<1，D₂導(dǎo)通時的管壓降，C₇₇₂實際輸出的為4.4 V左右的電壓，從C₇₇₂兩端輸出加到LCD上。電壓的具體數(shù)值要隨手機(jī)所處環(huán)境溫度的變化做一定的調(diào)整，在多模轉(zhuǎn)換器N800的46腳接有熱敏電阻R₈₈₀，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，通過R₈₈₀將溫度變化轉(zhuǎn)換成46腳TEMP電壓的變化，再經(jīng)N800內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換，通過總線傳到CPU D600，CPU根據(jù)這一數(shù)據(jù)及時調(diào)整96腳輸出脈沖的寬度，進(jìn)而使VLCD及時得到修正，使LCD的顯示達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 電池低電量識別與關(guān)機(jī)控制電路

手機(jī)關(guān)機(jī)時的電池電壓值是事先通過程序設(shè)置好并存在存儲器中，CPU通過檢測電路時刻監(jiān)測著電池電壓，電池在使用過程中隨著電量的消耗電壓在逐漸下降，當(dāng)電池電壓降到這一設(shè)定值時，CPU會執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，實現(xiàn)電池低電量關(guān)機(jī)。

如圖7所示，為愛立信788/768的電池電壓跟蹤及低電量關(guān)機(jī)控制電路，其中N₄₀₂為充電控制IC，其17，19腳與電池的正極相連，它在手機(jī)使用過程中，監(jiān)測著電池電壓的高低，并將跟蹤電壓VTRACK轉(zhuǎn)換為一定的模擬量由2腳輸出送至多模轉(zhuǎn)換器N800的47腳，在N800內(nèi)通過A/D轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號的形式通過總線送到CPU D600中；CPU將該數(shù)據(jù)與閃存器FLASH D610中儲存的低電量關(guān)機(jī)數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前電池電壓等于或低于關(guān)機(jī)最低電壓數(shù)值時，CPU就會運行D610中存儲的關(guān)機(jī)程序，并輸出關(guān)機(jī)控制信號。

在實際使用過程中有的手機(jī)一開機(jī)就隨即關(guān)機(jī)，表明電池電壓已經(jīng)低至關(guān)機(jī)電壓以下，還有的手機(jī)開機(jī)后光屏上就顯示低電量指示，表明CPU通過比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)前電池電壓已經(jīng)低于低電量告警電壓但仍高于關(guān)機(jī)電壓。即在電量的控制上低電量告警電壓與低電量關(guān)機(jī)電壓在數(shù)值上有一定的差值，顯然此差值越大，手機(jī)從開始出現(xiàn)低電量告警到低電量自動關(guān)機(jī)中間待機(jī)的時間會越長。當(dāng)然，手機(jī)不同、程序開發(fā)商不同此電壓的差值也可能不同。

以上通過手機(jī)電池放電的幾個典型電路，對手機(jī)中供電過程的智能化控制做了分析，不同的手機(jī)實現(xiàn)智能化的控制方式有所不同，但都是結(jié)合手機(jī)工作的特點，本著節(jié)能、拉長待機(jī)時間、延緩手機(jī)電池的衰老這一原則來進(jìn)行，相信隨著手機(jī)功能的增強(qiáng)，使用者對手機(jī)待機(jī)時間進(jìn)一步延長的渴求，手機(jī)放電過程中的智能化控制程度會進(jìn)一步加強(qiáng)，使手機(jī)電池的放電過程更科學(xué)、更完善。

參 考 文 獻(xiàn)

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2003.

作者簡介 魏秉國 男，濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)副教授，中國電子學(xué)會高級會員。主要從事物理學(xué)、電子學(xué)的教學(xué)與科研工作。