CC BY
64
М.Н. Иманкул
доцент кафедры вычислительной техники, к.т.н., Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (mimankul@mail.ru)
M.N. Imankul
associate professor Department of Computer Science, Eurasian National University named after L.N. Gumilyov, PhD
Н.О. Омирбеков
магистрант, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина
N.O. Omirbekov
magistrantis Department of S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University
(8(7172)490468, 87766221188)
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БЛОКА ПИТАНИЯ СОТОВЫХ ТЕЛЕФОНОВ
Аннотация.Рассмотрено современное состояние блока питания сотовых телефонов. Определена технологическая тенденции перехода мобильных устройств на беспроводную зарядку. Произведен сопоставительный анализ используемых в мобильных телефонах типов батарей. Приведены возможные эффективные способы энергосбережения мобильников.
Annotation.The present state of the power supply cell phones. Defined technological trends go mobile devices wireless charging. Performed a comparative analysis used in mobile phones battery types. The possible effective ways of saving for mobiles. Ключевыеслова:батарея, емкость, заряд, зарядноеустройство, источникпитания, напряжение.
Keywords:battery, capacity, charge, charger; current, current source, voltage.
Введение.
Стремительное развитие рынка мобильной аппаратуры, неуклонно растущие требования к ее производительности делают задачу построения энергоэффективных блоков питания особенно актуальной. В составе сотового телефона (мобильника), которые являются маломощными устройствами и требуют автономного питания, как и в любом электронном средстве, размещается система автономного электроснабжения, преобразующая энергию химических реакций в электрическую. Снижение энергопотребления электронных компонентов мобильника остается наиболее эффективным способом увеличения времени его автономной работы. Оптимальными считаются решения, увеличивающие время автономной работы мобильника без наращивания энергоемкости аккумуляторной батареи.
Основная часть.
Практически вся электронная аппаратура нуждается в одном или нескольких источниках питания - статических устройствах, предназначенных для обеспечения различных других устройств электрическим питанием. При создании той или иной электронной аппаратуры разрабатывается свой источник питания, на который существенное влияние оказало развитие микроэлектроники: усилились требования по экономичности, безопасности, надежности; ужесточились требования к стабильности номиналов напряжений и токов; заметно снизились масса и габариты. Для функционирования большинства электронных устройств необходимо наличие источников питания постоянного тока. Все источники питания можно разделить на две группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. Актуальны бесперебойные источники питания, совмещающие в себе источники первичного и вторичного типа [1]. Основным в них служит сетевой блок питания. Но в случае аварии, отключения электричества, включается аккумулятор, позволяющий продолжить работу до устранения проблемы.
Устройства, позволяющие непосредственно, без дополнительных преобразований передавать энергию, - это первичные источники питания, преобразующие химическую энергию (в нашем случае) в электрическую. Для мобильников их примерами служат химические источники тока (батареи, аккумуляторы, гальванические элементы), вырабатывающие электрическую энергию при протекании в нем электрохимических реакций. Аккумулятор - гальванический элемент, предназначенный для многократного разряда (до 500.. .1000 раз), то есть для многоразового действия. Основная его специфика состоит в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое применение (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования. Гальванический элемент - химический источник тока из электродов и электролита, предназначенный для однократного или многократного разряда. Батареи/аккумуляторы служат также вспомогательными и/или резервными источниками энергии в устройствах, питающихся от сети переменного тока [2].
В зависимости от конкретных условий в аккумуляторах используются различные электрохимические системы, которые обычно называют по материалам электродов. Электрические и эксплуатационные характеристики аккумуляторов зависят от материала электродов и состава электролита. Геометрическая форма химического источника тока должна удовлетворять достаточно противоречивым услови-
ям: обеспечить максимальную поверхность контакта электродов в заданном минимальном объеме [3]. Саморазряд химического источника тока состоит в потере энергии за счет протекания в нем самопроизвольных процессов и определяет время сохранности. Его работоспособность может быть возобновлена путем заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, противоположном направлению тока при разряде. Напряжение химического источника тока - разность потенциалов между выводами. Различают напряжение при разомкнутой внешней цепи (режим холостого хода), начальное (определяемое электрохимической системой химического источника тока), конечное и номинальное.
Отметим основные параметры сети питания электроэнергией - это: номинальное значение питающего напряжения и его относительная нестабильность, характеризующая возможные пределы изменения его значения относительно номинального; внутреннее сопротивление первичного источника питания и питающей сети; уровень пульсации питающего напряжения на выходе источника вторичного электропитания (для сети постоянного тока); частота, возможные искажения формы кривой питающего напряжения и возможная несимметрия по фазам питающей сети.
Для преобразования сетевого напряжения промышленной частоты 50 Гц в постоянное напряжение источники питания снабжены специальными устройствами, такими как выпрямитель, стабилизатор переменного напряжения, стабилизатор постоянного тока или напряжения, различные типы сглаживающих фильтров. Эти устройства позволяют трансформировать сетевой переменный ток в нужный постоянный ток для конкретного устройства или схемы. Схемотехника блока питания практически не меняется в процессе его эволюции, однако производители реализуют новые возможности в своих моделях. Современная тенденция развития источников электропитания такова, что они строятся в основном с применением интегральных схем, значительно упрощающих задачу построения источников питания электронной аппаратуры.
Напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны находиться в определенных пределах (в зависимости от его назначения) при воздействии значительного количества дестабилизирующих факторов: изменений напряжения на входе, тока нагрузки и др. Напряжение или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) какой-либо цепи может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор или сам источник питания из строя, поэтому необходима защита от прохождения тока по нежелательному (неправильному) пути.
Вторичные источники преобразуют электроэнергию с целью обеспечения требуемых параметров (напряжения, тока, пульсаций напряжения и т.п.). Они должны обеспечить передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Приведем некоторые параметры источников вторичного электропитания: номинальные выходные напряжения и токи; нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации; максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных цепей источника питания; номинальное значение тока, потребляемого источником питания от сети электропитания; коэффициент полезного действия в номинальном режиме.
Сегодня отслеживается тенденция устойчивого развития смартфонов, а спрос на мобильные телефоны снижается. Смартфоны по функциональным возможностям и производительности ненамного отстают от персональных компьютеров. Блок питания - составная часть всех мобильных телефонов, поскольку без энергии любая схема попросту не будет функционировать. Его основная функция - обеспечить различные схемы мобильника требуемыми для их работы точными величинами напряжений до полного истощения аккумуляторной батареи. Другая функция блока питания состоит в управлении аккумуляторной батареей. Чаще всего это оказываются схемы заряда (зарядное устройство), а также схемы, необходимые для постоянной индикации состояния разрядки/зарядки батареи. Максимально возможный полезный заряд аккумулятора - зарядная емкость. Зарядное устройство - электронное устройство для заряда аккумуляторов энергией внешнего источника (как пра-вило,от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц)., более или менее стабилизированный. Оно может быть встроенным и внешним, состоит из: преобразователя напряжения (трансформатора, импульсного блока питания); выпрямителя; стабилизатора напряжения; устройства контроля процесса заряда; средств индикации. Характеристики зарядного устройства определяются типом аккумуляторов, рабочим напряжением, номинальной ёмкостью.
Емкость аккумулятора - заряд (количество электричества), полностью отдаваемый заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого (заданного) напряжения. Она отражает время питания нагрузки без внешнего источника питания и на практике измеряется в внесистемной единице ампер-час (А • ч). Энергетическая емкость - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. На практике она измеряется в ватт-часах. Режим разряда ниже конечного напряжения называют глубоким разрядом, который, особенно в аккумуляторах, будет причиной переполюсовки и выхода химического источника тока из строя.
Чем выше емкость аккумулятора - тем лучше, так как мобильник нужно будет реже заряжать. Повышенная масса смартфонов часто как раз и вызвана большими размерами требующегося аккумулятора. Иногда следует уделять внимание не емкости аккумулятора, а заявленному производителем времени работы телефона. Имеется два режима работы: режим разговора и режим ожидания. В сравнении с более простым аппаратом у телефона с большим экраном и высоким разрешением будет установлен мощный аккумулятор и энергии потреблять он будет больше. Поэтому зарядка может закончиться быстрее, чем у более простого телефона, даже если аккумулятор у последнего и слабее. Поэтому следует акцентировать внимание именно на этих параметрах: время работы телефона в режиме ожидания и в режиме разговора. Итак, в мобильнике с долгим временем работы от одной зарядки, для которых характеристика в ампер-часах является важной, следует обращать внимание на такую характеристику, как количество часов, указываемых производителем, для времени работы конкретной модели в режиме разговора и режиме ожидания. Ведь сотовые телефоны с аккумуляторами одинаковой емкости могут работать разное время [6].
С ростом производительности мобильника время его активной работы резко сократилось. Аккумулятор - слабое место большинства мобильников, так как он несет основную нагрузку. В частности, в 2011 г. средневзвешенное значение емко-
сти аккумуляторов равнялось 1261 мА • ч, а к концу 2012 г. этот показатель поднялся на 12% до 1411 мА • ч. Однако следует отметить, что темпы роста емкости аккумулятора уступают по своей интенсивности росту других характеристик мобильника. Это связано с техническими ограничениями в области использования литий-ионных аккумуляторов.
Новейшие достижения в сфере источников питания мобильных телефонов, технологии изготовления аккумуляторных батарей и устройств для их зарядки обеспечивают более чем достаточный уровень автономной работы. По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестает функционировать. Зарядить аккумулятор можно от любого источника постоянного тока с большим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 0,1 номинальной емкости аккумулятора (в ампер-часах). Различные типы аккумуляторов имеют определенные ограничения, которые следует учитывать при зарядке и последующей эксплуатации. Некоторые производители предпочитают сохранить возможность питания телефонов от «одноразовых» батареек, что может оказаться полезным в неотложных ситуациях.
Несмотря на все достижения научно-технического прогресса зарядки батареи мобильника хватает только на определенное время. В походных условиях, когда нет возможности подключить мобильник к сети питания и зарядить, продолжительность автономного функционирования является определяющим. Желательно, чтобы мобильник был оснащен батареей высокой емкости, выдерживающей длительное непрерывное функционирование. С целью экономии заряда аккумулятора следует: не работать в энергоемких приложениях; отключить неиспользуемые в данный момент порты, так как все они потребляют энергию даже в режиме ожидания; оптимизировать энергопотребление путем отключения ненужных фоновых процессов, которые напрасно потребляют энергию. Иногда для оптимизации энергопотребления может оказаться достаточным уменьшить яркость экрана.
В частности, в 2010 г. появился NokiaLumia 800, самым слабым местом которого был аккумулятор с емкостью 1450 мА • ч, который позволял использовать смартфон только 5 часов. В начале 2013 г. корпорация Sony продемонстрировала модели мобильника XperiaZ и XperiaZL, имеющие емкость штатной аккумуляторной батареи 2330 мА • ч и фирменную энергосберегающую технологию BatterySta-minaMode, вчетверо снижающую потребление электричества в режиме «сна» и за счет этого значительно увеличивающую продолжительность автономной работы.
К выбору блока питания следует подходить очень внимательно, даже более тщательно, чем к выбору любого иного компонента системы, так как в некоторых ситуациях от его функциональных возможностей зависит корректная работа остальных частей абонентского мобильника, долговечность его использования и общая комфортность.
Производитель должен стараться выпускать на рынок блок питания с большим значением коэффициента полезного действия и энергоэффективностью. Для этого необходимо применение современной схемотехники, высококачественных электромагнитных фильтров. Также блоки питания должны быть сертифицированы по энергосберегающим стандартам, в которых, например, регламентируется его энергопотребление в «ждущем режиме».
Энергия - важнейший ресурс, которым надо управлять. Для мобильника энергопотребление является ценным ресурсом. Поэтому следует найти ответы на вопросы: как использовать мобильник таким образом, чтобы минимизировать потребление доступной энергии и сколько потребляют энергии абонентские мобильники за время работы на аккумуляторах?
Мобильники должны быть сделаны экономичнее в энергопотреблении и стоимости. Лишнее энергопотребление - фактор критичный для мобильника, имеющего физические ограничения для реализации новых сервисов и приложений. Важнейшими преимуществами оптимального блока питания являются надежность, модульность, компактность, чрезвычайно малое тепловыделение.
Обычно мобильный телефон оснащен аккумуляторной батареей 3,6 В (то есть тремя элементами по 1,2 В), при помощи которых обеспечивается питание мощных каскадов радиоблока - напряжением 3 В, остальной части радиоблока -напряжением 2,8 В и схем обработки основной полосы - напряжением 2 В. Блок логики и SIM-карта обычно питаются напряжением 3 В, а при применении импульсного повышающего трансформатора - напряжением 5 В [4].
В 2012 году на симпозиуме AШanceforWirelessPower были представлены беспроводные зарядные устройства, базовой технологией для которых выбрана технология магнитного резонанса в ближнем поле. Мобильник заряжается благодаря электромагнитной индукции, когда электрическая энергия передается через магнитные поля от электрокатушки в устройстве зарядки к катушке в заряжаемом устройстве. Данная технология требует использования зарядных устройств, которые представляют собой подставку для смартфона. Беспроводные зарядные устройства гораздо безопаснее мобильных телефонов, микроволновых печей в плане неблагоприятных воздействий.
В Японии, Южной Корее уже развиты инфраструктуры (поверхности) беспроводных зарядных устройств в общественных местах. В связи с этим отметим, что в FujitsuLaboratories разработали технологию беспроводной зарядки, в основе которой лежит явление магнитного резонанса и способную напитывать устройства электроэнергией за время в 150 раз меньшее, чем требуют сегодняшние гаджеты. Внедрение систем беспроводной зарядки делает использование мобильника с высоким энергопотреблением и запасом автономной работы гораздо комфортным [5]. Уже с 2011 года начали появляться мобильные телефоны и смартфоны, снабженные встроенными модулями для беспроводного подключения к зарядным устройствам стандарта Q1.
Современные мобильники невозможно представить без набора беспроводных интерфейсов. Они регулярно подключаются кабелем к внешнему источнику питания для подзарядки аккумуляторной батареи, обеспечивающей работу мобильника в автономном режиме. Сегодня гаджеты потребляют значительную мощность энергии, так как оснащаются дисплеями высокого разрешения, многоядерными процессорами, набором беспроводных интерфейсов, с помощью которых осуществляется подключение к периферийным устройствам (накопителям, наушникам, акустическим системам), т.д.
В мобильнике аккумулятор несет основную нагрузку. Технические характеристики блоков питания различных моделей телефонов значительно отличаются друг от друга. Очень важно знать при выборе телефона, какой у него аккумулятор,
так как от этого зависит, время его непрерывной работы от зарядки до зарядки. Поэтому при выборе мобильного телефона важно учесть тип и емкость аккумуляторной батареи. На длительность работы телефона от одной зарядки аккумулятора влияет уровень энергопотребления аппарата и время активного его использования. На сегодняшний день самые распространенные типы батарей, применяемых в мобильных телефонах - никель-металлогидридные (Ni-MH), литиево-ионные (Li-ion) и батареи на базе лития с полимером (Li-Pol).
Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторные батареи обладают значительным объемом и низкой себестоимостью. Мобильный телефон с таким аккумулятором дешевый, с минимальным набором функций. Для таких мобильников больше важна цена, а не его габариты. Ni-MH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, имеют эффект-памяти, состоящий в уменьшении значения емкости в ситуации, если зарядка выполняется при не полностью разряженном аккумуляторе. Вместе с тем они обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с подобным эффектом можно использовать капельную подзарядку. Недостаток Ni-MH-аккумуляторов в том, что они требуют периодической доводки до полной разрядки, чтобы они могли набрать полную мощность при зарядке.
Литиево-ионные аккумуляторные батареи наиболее популярны из-за своей компактности и большой емкости, хотя и стоят дороже никель-металлогидридных. В качестве отрицательных пластин используется графит, а в качестве положительных пластин - оксиды лития с кобальтом или марганцем. Срок службы Li-ion-аккумуляторов ограничен полтора-двумя годами вне зависимости от того, используются они или нет. Такие батареи не рекомендуется использовать при низких температурах и долгое время держать в полностью разряженном состоянии - такие действия снижают срок их службы. Тот факт, что заряжать батарею не обязательно только после полной разрядки, позволил производителям мобильных телефонов выбрать его в качестве основного.
Преимуществами Li-ion-аккумуляторов являются: высокая энергетическая плотность; низкий саморазряд; отсутствие эффекта памяти; простота обслуживания; возможность приобретать любую форму, что позволяет дизайнерам оптимально заполнить внутренний объем. Недостаток - подверженность взрывному разрушению при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим явлением аккумуляторы обеспечиваются встроенной электронной схемой, не допускающей перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. Глубокий разряд полностью разрушает Li-ion-аккумулятор. Оптимальное условие их хранения достигается при 40% заряде от емкости аккумулятора при температуре около 5 0С. При длительном хранении низкая температура служит определяющим фактором для низких потерь емкости [1]
Приведем некоторые характеристики Li-ion-аккумуляторов: энергетическая плотность 110-200 Вт • ч/кг; внутреннее сопротивление 150-250 мОм (для батареи 7,2 В); число циклов заряд/разряд до потери 20% емкости - 500-1000; время быстрого заряда - 2-4 ч; саморазряд при комнатной температуре - 7% в год; максимальное напряжение при полной зарядке - 4,18-4,2 В; минимальное напряжение при полной разрядке - 2,5-2,75 В; диапазон рабочих температур от -20 до +600 С.
Литиево-полимерные аккумуляторные батареи немного дешевле литиево-ионных батарей, но при этом обладают большей энергоемкостью. Аккумуляторы данного типа способны полноценно работать до 200 циклов от каждой перезарядки. В основном, такие батареи можно выбрать среди мобильных телефонов Sony Ericsson.
Литиевые химические источники тока чувствительны к перезаряду, напряжению и температуре. Они имеют высокую, чем у ртутных и щелочных, удельную энергию по массе и объему, то есть их использование позволяет уменьшить массо-габаритные показатели устройств с автономным питанием. Литиевые элементы и батареи имеют большой срок сохраняемости, благодаря чему автономность некоторых устройств достигает 5-10 лет и более, и обеспечивают более высокое напряжение, по сравнению с другими элементами.
Возможности экономного использования электроэнергии позволяют создавать системы с более длительным временем работы от батарей и увеличенной во много раз производительностью. Новейшие мобильные устройства и смартфоны являют собой яркий пример современной интеграции аппаратных компонентов. Эти мощные (функциональные), но простые в использовании устройства с несложным и понятным пользовательским интерфейсом формируют совершенно новый класс устройств, который будет строиться на разнообразных аппаратных платформах [7].
Среди компонентов, участвующих в потреблении электроэнергии, важную роль играет подсистема отображения - электроника, связанная с визуальным представлением данных, в частности, дисплей и его контроллер. Кроме того, мощность, потребляемая дисплеем, традиционно остается практически неизменной в процессе развития технологий, что приведет еще к большему увеличению доли энергопотребления устройств отображения в будущих системах. Разработчики оптимизируют конструкции дисплеев в традиционных системах в расчете на активное использование. Например, в мобильнике, который поддерживает воспроизведение видео, обычно нужен дисплей с достаточно крупным экраном, обеспечивающий максимальное количество цветов и высокое разрешение. Существующие подходы к снижению уровня энергопотребления таких устройств ориентированы на отключение устройства отображения в периоды отсутствия использования или на разработку систем с низкокачественными или малоэкранными дисплеями, которые могут не удовлетворять абонентов при работе со многими приложениями.
Имеется, конечно, возможность управления отдельными частями дисплея или его свойствами энергопотребления, основанными на требованиях абонентов или конкретных приложений. Работа основывается на интуитивном предположении, что для разных рабочих нагрузок и абонентов свойственны разные потребности в качестве отображения. Наличие дисплея с фиксированным размером экрана, ориентированного на активную рабочую нагрузку/активного абонента, часто приводит к неэффективному энергопотреблению для других рабочих нагрузок/абонентов. В отличие от этого, конструкция с адаптивным энергопотреблением, в которой энергия потребляется только для частей и характеристик экрана, действительно используемых приложением и значимых для абонентов, позволяет достичь экономии энергии.
Этот подход становится предпочтительным с развитием технологий эмиссионных дисплеев на органических светодиодах OLED (Organic Light-Emitting Diode),
которые допускают пониженный уровень энергопотребления при использовании уменьшенной части экрана. Обычно абоненты не нуждаются в полном наборе возможностей дисплея; часто использование дисплея связано с контентом, визуализацию которого можно обеспечить при пониженном энергопотреблении. Современные подсистемы отображения на аппаратном уровне поддерживают адаптивное энергопотребление, а на уровне программ - осведомленность об энергопотреблении, что дает значительную экономию энергии (от двух до десяти раз при сохранении приемлемого для абонентов качества). Пользовательские интерфейсы должны проектироваться с учетом осведомленности об энергопотреблении, что обеспечит сочетание достоинств низкого потребления энергии и простоты использования.
Выводы.
На длительность работы мобильного телефона влияют характеристики, использующие дополнительную энергию (выбранный при производстве тип экрана, подсветка клавиатуры, другие характеристики). Время работы, указанное производителем в характеристиках мобильника несколько завышено, поскольку оно соответствует режиму использования с минимальной нагрузкой. Приоритетными аппаратными платформами, на которых базируются смартфоны или мобильные телефоны, служат платформы с повышенной энергоэффективностью. Необходимо достигать необходимой производительности (функциональности) мобильника при минимальных затратах электроэнергии. Задача исследования мобильника с наименьшим потреблением энергии вносит свой вклад в экологичность окружающей среды. Фактор чрезвычайно низкого энергопотребления (энергодиета) должен быть доминирующим.
Список источников:
1. Дмитриев В.М., Шутенков А.В., Ганджа В.В., Харькова Я.А. Проектирование и конструирование кибермоделей мобильных устройств. Учеб. пособие для Центров молодежного инновационного прототипирования. - Томск: В-Спектр, 2013. - 220 с.
2. Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. - 2-е изд., испр. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 136 с.
3. Варламов Р.Г. Современные источники питания: Справочник. - М.: ДМК, 1998. -192 с.: ил.
4. Гелль П. Мобильные телефоны и ПК / Патрик Гелль; Пер. с фр. Брод Т.Е. - 2-е изд., испр. И доп. - М. : ДМК Пресс, 2004. - 232 с. : ил.
5. Асмаков С. Развитие беспроводных зарядных устройств // КомпьютерПресс. -№1, 2013. - С. 14-15.
6. http://www.nofelet.org/ind02. shtml
7. http://www.osp. ru/cw/2004/21/77535/
