手機供電過程中的智能化控制

摘 要：手機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，對延長手機待機時間、改善通話質量、提高使用效率、延緩電池的使用壽命具有決定性的作用。結合GSM手機電池供電的典型電路，對放電時的斷續供電、脈沖供電、動態變壓供電和低電量識別關機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；解決了以往連續供電所帶來的能耗大、效率低的問題，對進一步改進和優化手機電路有一定的指導作用和參考價值。

關鍵詞：手機電池；供電方式；智能化控制；控制電路

中圖分類號：TP274，TN710 文獻標識碼：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

手機是移動通信的終端，是實現在移動、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線供電的特點。其電能釋放持續的時間是衡量手機性能好壞的重要指標，手機電池在放電過程中實施智能化控制，是手機設計、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電池的使用壽命、電池充電后的待機時間、通話質量等。因此，對手機電池放電過程實施智能化控制具有很強的必要性。

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

1 收發電路的斷續供電方式

由于手機MS(移動臺)既是接收機，又是發射機，考慮到信道的有限和手機數量的猛增，目前以TDMA為主流的手機以及即將普及的以CDMA為主導技術的3G手機，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，每部手機通話時只在自己被分配到的特定時隙內收發信息，并且工作的時隙是斷續的，如圖1所示，這種工作方式就決定了手機內大部分電路是處于斷續的工作狀態或特定狀態下才進入斷續的工作狀態，其他時候不工作，從能量的角度看既節約了電能又延長了手機的待機時間。

圖2為摩托羅拉手機V998中的收發電路的供電電路，U₉₁₃為電源供電轉換模塊；B.+是電池電壓；RFV₁，RFV₂是分別供收、發部分電路使用的電壓；Q₂₄₀，Q₂₄₂為2只N溝道增強型FET，溝道的有無受F₁，H₂引腳電壓的控制，當F₁，H₂的電壓為高電平時，Q₂₄₀，Q₂₄₂內部產生溝道，RFV₁，RFV₂相應的出現，RFV₁，RFV₂對應的供電部分開始工作，根據手機所處狀態及所在的時刻不同，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高電平的出現完全受控于CPU，CPU根據手機當前所處的狀態以及從基站傳來的信息決定F₁、H₂電平的高低，從圖1可知，既使在通話狀態下，收、發電路也是處于斷續的工作狀態。

發射電路在下列狀態下工作：當開機入網時，手機要通過信道向基站和移動中心發射手機SIM卡中的有關密碼和信息；在待機狀態下移動中心通過基站每間隔一定的時間要尋呼手機，以確定手機的位置和狀態，此時手機應向基站回應，發送有關的信息；在待機狀態下，有來電時，手機應通過發射電路向移動中心回應，以便得到移動中心分配的通話信道；在手機通話狀態下，要向移動中心發射語音信息和手機的有關信息；每一個基站BS發射的信號所覆蓋的范圍稱為一個小區，當手機運動中跨區時，也要啟動發射電路與基站進行通信，以便進入新的小區后變換信道；手機在漫游的過程中，從一個移動局的屬地進入另一個移動局的屬地，無論手機是處于通話狀態還是待機狀態，都會通過收、發電路與基站和移動中心聯系，以便及時實現跨局登記并切換到新的信道上。故在上述時間段內H₂在相應的時隙有高電平輸出，使得Q₂₄₀導通，RFV1有輸出啟動接收電路工作。

接收電路在如下幾種狀態下工作：開機尋找信道及入網時；通話期間；待機的全過程；越區和漫游跨局時等。在這些時間段相應的接收時隙F₁會有高電平輸出，使Q₂₄₂導通，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）是手機中的關鍵部件，正是由于手機卡的存在實現了電話號碼隨卡不隨機。SIM卡內存有：生產商存入的通信系統原始數據；GMS運營商將卡發給用戶時注入的網絡參數和用戶數據（例鑒權和加密信息、國際移動用戶號INSI、IMSI認證算法、密碼生成算法）；用戶存入的數據（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與SIM卡的聯系是定時的短暫的，即只在特定的情況下手機與SIM卡之間才進行數據交換，例如開機入網時，關機時，通話時，漫游跨局和越區時等，并且由于交換的數據量不大，因而它們之間數據交換的時間是短暫的。對SIM卡的供電設計是：一旦手機與SIM卡交換信息時給SIM卡送去5個斷續的脈沖，這5個脈沖相當于給SIM卡做了5次短時的供電，在這5次短時的供電時間內，足可以將手機與SIM卡交換的信息調入、調出。平時只要手機不與SIM卡通信，SIM卡則處于零耗電狀態。

如圖3所示是愛立信768/788手機中的卡供電電路。V₇₆₀是P溝道增強型效應管，控制柵極G相對于源極S有較低的電壓時V₇₆₀才導通，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，手機與SIM卡通信時D600的SIMPWR端輸出斷續的5個脈沖，加到V761的基極，每個脈沖到來時V761均會由原來的導通轉為截止，V₇₆₀由截止轉為導通給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

在待機狀態下對手機進行任意操作時，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光二極管LED或電致發光板。當有來電時，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進行。如圖4所示，其中D<1~D<10為用于鍵盤及LCD照明的發光二極管，V₂0為振動器M的驅動管，V₅為振動器控制FET，V₂3是振鈴器BUZZER和發光二極管D<1~D<10的驅動管。

一旦有來電或進行鍵盤操作時，CPU的LIGHT控制端由低電平轉為高電平，加到V₂3的2腳，使V₂3的1、3腳之間導通，電池VBATT放電，將發光二極管D<1~D<10點亮，即使停止操作CPU的LIGHT端高電平也會按設定值持 續一段時間，然后轉為低電平，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是斷續的工作，以引起使用者的注意。手機設在振鈴狀態下，一旦有來電時，CPU D103從相應的BUZZ-EN腳輸出頻率為幾千Hz的脈沖，加到功率驅動管V₂3的5腳，使V₂3的4，6腳之間導通，電池放電，脈沖電流驅動振鈴器BUZZER發出幾千Hz的音頻。手機設在振動狀態下，當有來電時，從CPU D<103的V1BEN腳輸出具有一定寬度的斷續的直流脈沖，當脈沖為高電平時，加到場效應管V₅的G極，V₅內溝道建立，D，S極導通，電池電壓經穩壓塊V₂0，V₅加到振動器M上，電流流過振動器引起振動；當D<103 V1BEN腳輸出低電平時，V₅內溝道消失，振動器由于電源被切斷而停止振動，故V1BEN端的由高、低電平組成的斷續脈沖就可以通過V₅控制振動器斷續的振動。CPU各腳輸出波形如圖4所示。

3 動態變電壓供電方式

3.1 發射功率放大器供電電路

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

由于手機的發射電路是在特定時段按設定的時隙工作，且工作時手機的發射功率也不是一個恒定值，其大小受手機所處位置信號場強的影響，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。當手機進行通信時，它與基站BS通過信道的上、下行頻率交換信息，當基站接收到的手機信號過強或過弱時，就會通過下行頻率信道發出調整發射功率級別的指令，手機CPU接到該指令通過分析，就向功放電路發出控制信號，其中發出的發射開信號TXON是控制功放電路何時工作，PWRLEW(功率電平信號)是控制功放級發射功率大小的信號。

如圖5所示，為愛立信788／768手機的功放供電控制電路，V₄₁₀為發射功率控制EFT，其源極S接電池，4.8 V的電池電壓經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導通狀態有關，而V₄₁₀導通狀態受柵極電壓的控制。V₄₁₀是P溝道增強型FET，開啟電壓相對于源極為負，2只帶阻三極管V₄₆₀ ，V₄₇₀的基極分別接功率電平控制信號PWRLEV和發射開關控制信號TXON，由于功放電路只在手機發射狀態下工作，故TXON信號沒到時V₄₇₀截止，V₄₁₀由于柵極為高電平而處于截止狀態，故手機的功放級無電源電壓而停止工作。只有手機處于發射時隙TXON信號到來，V₄₇₀飽和導通，來自手機CPU又經數模轉換器N800轉換出的發射功率電平等級信號PWRLEV使V₄₆₀導通，而且其導通的程度受PWRLEV電平高低的控制，而PWRLEV的電平高低與當前手機所處位置的信號場強有關，信號場強愈弱，表明手機距基站較遠，手機傳至基站的信號也弱，移動中心會通過基站向手機發出增大發射功率的信息，經手機接收分析后，會及時調態PWRLEV的數值，從N800輸出的PWRLEV信號電平愈高，V₄₆₀導通電流愈大，R<412上的壓降愈大，柵極G電壓愈低，V₄₁₀內的溝道就越寬，漏極輸出電壓就越高，功放IC電源電壓變高，手機發射功率就越大；反之當信號場強強時，CPU發出的PWRLEV電平變低，V₄₆₀導通電流會變小，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，手機發射功率下降，從而通過供電電壓的調整完成發射功率隨信號場強協調變化的控制。

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所處環境的溫度有關，因此顯示偏壓是隨環境溫度變化而變化的動態值，電壓的產生與調整均是通過CPU完成。

如圖6所示是愛立信788英文手機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左右的直流轉換為4.4 V的直流。該電壓的產生過程是：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，經電容C₇₇₁二極管D<1，D₂完成升壓。當D600的96腳無脈沖時，3.2 V的VDIG經D<1對C₇₇₁充電，再經D₂對C₇₇₂充電，使C₇₇₁，C₇₇₂出現近3.2 V的電壓，96腳2.5 V的脈沖到來后，C₇₇₁負極電位被墊高，正極電位達到2.5 V+3.2 V=5.7 V，該電壓經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。電壓的具體數值要隨手機所處環境溫度的變化做一定的調整，在多模轉換器N800的46腳接有熱敏電阻R₈₈₀，當環境溫度變化時，通過R₈₈₀將溫度變化轉換成46腳TEMP電壓的變化，再經N800內的A/D轉換，通過總線傳到CPU D600，CPU根據這一數據及時調整96腳輸出脈沖的寬度，進而使VLCD及時得到修正，使LCD的顯示達到最佳狀態。

4 電池低電量識別與關機控制電路

手機關機時的電池電壓值是事先通過程序設置好并存在存儲器中，CPU通過檢測電路時刻監測著電池電壓，電池在使用過程中隨著電量的消耗電壓在逐漸下降，當電池電壓降到這一設定值時，CPU會執行關機程序，實現電池低電量關機。

如圖7所示，為愛立信788/768的電池電壓跟蹤及低電量關機控制電路，其中N₄₀₂為充電控制IC，其17，19腳與電池的正極相連，它在手機使用過程中，監測著電池電壓的高低，并將跟蹤電壓VTRACK轉換為一定的模擬量由2腳輸出送至多模轉換器N800的47腳，在N800內通過A/D轉換，以數字信號的形式通過總線送到CPU D600中；CPU將該數據與閃存器FLASH D610中儲存的低電量關機數值進行比較，當發現當前電池電壓等于或低于關機最低電壓數值時，CPU就會運行D610中存儲的關機程序，并輸出關機控制信號。

在實際使用過程中有的手機一開機就隨即關機，表明電池電壓已經低至關機電壓以下，還有的手機開機后光屏上就顯示低電量指示，表明CPU通過比較發現當前電池電壓已經低于低電量告警電壓但仍高于關機電壓。即在電量的控制上低電量告警電壓與低電量關機電壓在數值上有一定的差值，顯然此差值越大，手機從開始出現低電量告警到低電量自動關機中間待機的時間會越長。當然，手機不同、程序開發商不同此電壓的差值也可能不同。

以上通過手機電池放電的幾個典型電路，對手機中供電過程的智能化控制做了分析，不同的手機實現智能化的控制方式有所不同，但都是結合手機工作的特點，本著節能、拉長待機時間、延緩手機電池的衰老這一原則來進行，相信隨著手機功能的增強，使用者對手機待機時間進一步延長的渴求，手機放電過程中的智能化控制程度會進一步加強，使手機電池的放電過程更科學、更完善。

參 考 文 獻

［1］潘濤濤，林家儒.第三代移動通信TDSCDMA的核心技術\\.通信技術，2002(6):6971.

［2］張興偉.手機電路原理與維修\\.北京:人民郵電出版社，2007.

［3］陳子聰.手機維修技能實訓\\.北京:人民郵電出版社，2007.

［4］孫龍杰.劉立康.移動通信與終端設備\\.北京:電子工業出版社，2003.

［5］章堅武.移動通信\\.西安:西安電子科技大學出版社，

2003.

作者簡介 魏秉國 男，濮陽職業技術學副教授，中國電子學會高級會員。主要從事物理學、電子學的教學與科研工作。