Глава 2. Устройство мобильного телефона

Общие сведения.

Наконец-то, скажут многие, мы добрались до главного. Как же устроен этот сложный мобильный телефон? Для того чтобы понять, что в его устройстве нет ничего сложного, условно разделим его на части и рассмотрим каждую в отдельности.

Основой мобильного телефона, образно говоря, его сердцем является микропроцессор (UPP - Universal Phone Processor), который при помощи набора очень простых команд (операций) выполняет сложные действия, алгоритмы которых запрограммированы в памяти. Такая структура дает преимущества, поскольку память можно перепрограммировать. Именно в программе заложены практически все функциональные возможности аппарата, начиная с управления включением. Непосредственно к процессору подключается память, клавиатура и дисплей. Приемопередатчик выполняет функции передачи и приема сигналов под управлением микропроцессора. Так как прием и передача в системе GSM разделены во времени, приемник и передатчик используют общую антенну. Основой приемопередатчика является цифровой сигнальный процессор - DSP (Digital Signal Processor), который осуществляет как формирование сигналов для передачи в эфир, так и декодирование принимаемых сигналов. Контроллер питания представляет собой одну или несколько микросхем, которые выдают набор питающих напряжений для всего телефона, и каждое из которых формируется отдельно в те промежутки времени, когда это напряжение необходимо для работы. Такое устройство питания позволяет существенно экономить емкость аккумуляторной батареи. Кроме того, контроллер питания управляет зарядкой аккумулятора. Непосредственно к аккумулятору всегда подключены: контроллер питания, усилитель мощности приемопередатчика и схема формирования напряжения подсветки клавиатуры и дисплея. Она необходима, поскольку напряжение аккумулятора в процессе работы уменьшается, в то время как яркость подсветки должна оставаться постоянной. Контроллер заряда находится в телефоне и использует постоянное выпрямленное нестабилизированное напряжение внешнего зарядного устройства - "зарядки". Несколько контроллеров, которые могут входить в состав одной микросхемы или нескольких, формируют: - речевой сигнал (микрофон и динамик), сигналы гарнитуры формируются отдельными усилителями; - вызывной сигнал (вибромотор и полифонический звонок); - считывание и запись информации в SIM (Subscriber Identity Module)-карту; - сигналы для оптического (ИК) порта, Bluetooth и другие - на схеме не показаны. Обмен с компьютером осуществляется через системный коннектор. Кроме вышеперечисленного все телефоны имеют системный тактовый генератор, который располагается в DSP, часы реального времени с кварцевым резонатором 32768 Гц, аналого – цифровые ADC (Analog-Digital Converter) и цифро – аналоговые DAC (Digital-Analog Converter) преобразователи.

Глава 3. Устройство отдельных частей мобильного телефона

Аккумуляторы

Приобретая мобильный телефон, человек, как правило, меньше всего задумывается над сроком его безотказной работы. А если и задумывается, то связывает его прежде всего с ненадежностью микросхем, радиоэлементов и механическими повреждениями. Исследования показывают, что первое место по отказам занимают элементы питания. В настоящее время в мобильных телефонах используют никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer) аккумуляторные батареи. Рассмотрим характеристики аккумуляторов.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора – максимальное количество электричества, которое можно получить от одной полной зарядки. Обозначается латинской буквой С и выражается в ампер-часах (А-ч) или миллиампер-часах (мА-ч). Так, например, аккумулятор емкостью 720 мА-ч способен отдавать в нагрузку ток 720 мА в течение оного часа или 360 мА в течение двух часов. При этом, конечно, разрядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы для конкретного типа аккумулятора, иначе его пластины быстро выйдут из строя.

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Чем оно меньше, тем больший ток способен отдать аккумулятор в нагрузку. Это очень важная характеристика. В режиме приема мобильный телефон потребляет небольшой ток. Однако во время разговора ток резко возрастает. В этом случае аккумуляторы с различным внутренним сопротивлением ведут себя по-разному. Никель-кадмиевые, обладающие наименьшим внутренним сопротивлением, легко отдают требуемый ток. Никель-металл-гидридные обладают самым высоким сопротивлением, поэтому дают просадку напряжения, которая может привести к сбоям либо ваш телефон выдаст сигнал, что аккумулятор разряжен. Так как мобильные телефоны в процессе работы потребляют более или менее стабильный ток, то для их питания применяют литий-ионные либо литий-полимерные аккумуляторы. Никель-металл-гидридные применяют при питании устройств, потребляющих стабильный ток.

Плотность энергии (Energy Density) заряженной батареи

Измеряется в ватт-часах, отнесенных к килограмму массы аккумулятора (встречается и к литру объема). Здесь лидируют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (110... 160 Вт/кг), заметно уступают им аккумуляторы 100… 130 Вт/кг. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют этот показатель 60… 120, никель-кадмиевые - 45… 80 Вт х ч/кг. Из сказанного следует, что наименьшими размерами и весом при одинаковой емкости обладают литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы, несколько большими - никель-металл-гидридные. А литий-полимерным аккумуляторам можно придать практически любую форму.

Время заряда аккумулятора

Это довольно важная характеристика, поскольку при интенсивной эксплуатации аккумуляторы мобильных телефонов приходится заряжать почти ежедневно. Варьируется от 1 часа у никель-кадмиевых (при необходимости их можно зарядить за 15 минут) и 2… 4 часов у никель-металл-гидридных, литий-ионных и литий-полимерных.

Номинальное напряжение одного элемента

У никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 1,25 В, у литий-ионных и литий-полимерных - 3,6 В. Причем у первых двух типов напряжение в процессе разряда практически стабильно, в то время как у литий-ионных аккумуляторов в процессе разряда оно линейно снижается от 4,2 до 2,8 В.

Саморазряд аккумулятора

Саморазряд - уменьшение заряда заряженного, но не подключенного к потребителю энергии аккумулятора в процессе его хранения. Для никель-кадмиевых аккумуляторов это одно из слабых мест. У них потеря заряда достигает 10% в первые сутки после зарядки, а затем по 10% в месяц. Примерно такой же показатель и у никель-металл-гидридных аккумуляторов. Вне конкуренции по этому показателю литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. У них саморазряд не превышает 2 – 5% в месяц, который происходит в основном из-за наличия схем контроля внутри аккумуляторов. Однако ограниченное время «жизни» этих аккумуляторов не дает полностью использовать это положительное качество.

Срок службы

Это одна из важнейших характеристик аккумуляторов, о которой пользователь задумывается почему-то в последнюю очередь. Для аккумуляторов с различной химией он определяется по-разному. Для одних аккумуляторов критичным является общее число рабочих циклов «заряд - разряд», в то время как для других - общее время их эксплуатации. Никель-кадмиевые аккумуляторы выдерживают более 1500 циклов «заряд - разряд», и как показывает опыт, после восстановления могут проработать еще столько же. При правильном периодическом обслуживании никель-кадмиевые аккумуляторы служат от 5 до 10 и более лет, вплоть до механического износа их корпуса и внутренних контактов. Никель-металл-гидридные аккумуляторы выдерживают около 500 циклов «заряд - разряд» и срок их службы редко превышает два года даже при весьма аккуратном их обслуживании. Литий-ионные аккумуляторы можно заряжать-разряжать от 500 до 1000 раз. Но это число циклов полностью выбрать затруднительно из-за короткого срока службы - не более двух лет (по заявлениям производителей). Практически же литий-ионные аккумуляторы теряют свои эксплуатационные качества уже через год. У литий-полимерных аккумуляторов число циклов «заряд - разряд» колеблется от 300 до 500, и они также редко служат более года. Кроме того, срок службы зависит и от степени разряда - при частичных разрядах он больше, чем при полных. Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена - срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

Характеристика/тип	NiCd	NiMH	Li-Ion	Li-Polymer
Внутреннее сопротивление	низкое	высокое	среднее	среднее
Число циклов «заряд - разряд» до снижения емкости на 80%/срок службы	>1500	500	500-1000/1,5 года	300-500/1,5 года
Время быстрого заряда, ч	1	2 - 4	2 - 4	2 – 4
Токи нагрузки относительно емкости (С) - пиковый	20С	5С	>2С	>2С
Токи нагрузки относительно емкости (С) - наиболее приемлемый	1С	до 0,5С	до 1С	до 1С
Плотность энергии, Вт/кг	45-80	60-120	110-160	100-130
Саморазряд за месяц при комнатной температуре, /%	20	30	10	10
Обслуживание через	30-60 дней	60-90 дней	Не регл.	Не регл.
Напряжение на элементе, В	1.25	1.25	3.6	3.6
Диапазон рабочих температур, ° С	–40…+60	–20…+60	–20…+60	0…+60
Год выхода на рынок	1950	1990	1991	1999