Телефоны часто работают от аккумулятора меньше, чем заявлено в характеристках. Попробуем разобраться, почему заявления производителей и наши ожидания не всегда оправдываются.

Телефоны некоторых производителей отличаются большим временем автономной работы при одинаковой емкости батареи и сходных условиях эксплуатации. Очевидно, что это вызвано особенностями используемого «железа» - микросхем, дисплея и других электронных компонентов, на которых построено устройство. Но мы пытаемся понять, почему отличается реальная жизнь от обещаний производителя. В этих условиях, особенности «железа» отходят на второй план, ибо мы сравниваем работу устройств, построенных на одном и том же «железе».

О банальном

Прежде всего, нужно осознать, что запасенная батареей энергия в автономном режиме используется для обслуживания абсолютно всех потребностей устройства - работы процессоров, приемника, передатчика, дисплея, подсветки, GPS, Bluetooth, Wi-Fi, приемника FM, фонарика и так далее. Соответственно, каждый включенный потребитель энергии будет уменьшать остаток энергии, доступный остальным потребителям, и возможную длительность автономной работы.

Следовательно, если пользователь хочет много разговаривать, или играть в игрушки, то он должен смириться с тем, что в режиме ожидания телефон сможет пребывать без подзарядки батареи существенно меньше, чем мог бы в случае, если бы просто лежал включенным без использования.

Если хотите реже заряжать батарею, меньше тревожьте телефон по пустякам и отключайте ненужные внутренние потребители, которые ускоряют разряд батареи в автономном режиме: меньше подсветки, связь по необходимости, закрывайте карты и отключайте GPS, настраивайте более редкие обновления.

Батарея

Первое, на что обычно обращают внимание - это емкость аккумуляторной батареи. Достаточно очевидно, что увеличение емкости батареи приведет к более длительной автономной работе телефона. Но, следует учитывать, что «емкость батареи» - это некоторый «проектный», расчетный, целевой параметр батареи. Для конкретной конструкции и технологии изготовления он указывается «с запасом», чтобы обеспечить приемлемый выход годных изделий в производстве.

Обычно при выходе с производства емкость конкретной батареи несколько превышает номинальное значение, но по мере эксплуатации из-за необратимых химических процессов в теле, батарея все хуже способна запасать энергию в очередных циклах заряда, а кроме того, увеличивается её внутреннее сопротивление. В реальности, количество электрической энергии, которую может запасти конкретный экземпляр батареи, зависит не только от ее номинальной емкости, но и от ряда условий, в которых она работает.

Начнем с процесса заряда батареи, которую обычно заряжают, не вынимая из устройства - телефона, планшетника. Сильно упрощенная схема показана на Рисунке 1.


Рисунок 1. Упрощенная схема питания и подключения зарядного устройства
E - батарея питания (ЭДС)
Ri - внутреннее сопротивление батареи
Rк - сопротивление контактов, через которые батарея подключена к телефону
Rн - сопротивление нагрузки (все потребители в телефоне)
+ ЗУ и -ЗУ - контакты «зарядного устройства»
СУЗ - схема управления зарядом, управляемая процессором телефона
V - АЦП, измеряющий напряжение батареи

«Зарядное устройство», которое подключают к телефону, по сути дела, представляет собой просто источник энергии, а управление процессом заряда происходит самим устройством (его модулем СЗУ), в соответствии с программой, заложенной в ПО устройства.

Если в момент подключения зарядного устройства батарея сильно разряжена, и напряжение на ней ниже нижнего предела, то устройство включает режим заряда малым током - trickle charge. В этом режиме телефон обычно не подает никаких «признаков жизни», несмотря на подключенное зарядное устройство. Такой заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на батарее не достигнет значения, минимально необходимого для запуска процессора телефона (в современных устройствах обычно ~3,0 В). В этот момент телефон «оживает», и его процессор начинает контролировать процесс заряда батареи.

На батарею подаются импульсы зарядного тока, после которых следуют паузы, в течение которых происходит измерение напряжения на батарее. Кроме того, контролируется температура батареи. Если температура батареи превышает заранее выбранное значение (обычно ~40⁰С), процесс заряда на некоторое время прекращается, чтобы батарея смогла остыть.

Контроль напряжения батареи используется для определения степени её заряженности. При этом учитывается не только само значение напряжения, но и тенденция его изменения, в зависимости от времени. Батарея считается заряженной, если ее напряжение перестает увеличиваться и проявляется тенденция к его снижению.

В процессе пользования устройством, процессор в периоды своей активности контролирует напряжение на батарее, и когда напряжение батареи достигает нижнего предела, установленного в настройках телефона (обычно ~3,0 В), происходит автоматическое выключение телефона. Казалось бы, все просто, однако, есть несколько нюансов, связанных с техническими особенностями реализации описанных выше процессов и конструкцией телефона.

Калибровка

Для изменения напряжения батареи в телефонах используются АЦП, которые могут измерять напряжение с определенным дискретным шагом и требуют калибровки. Во время калибровки устанавливается соответствие между реальными значениями напряжения в измеряемых точках и цифровыми значениями, которые передаются в программное обеспечение телефона для принятия решений - отображения уровня заряда батареи на дисплее, автоматического отключения телефона из-за разряда батарей или прекращении заряда батареи, когда она заряжена.

Очевидно, что телефоны с неверной калибровкой измерителя напряжения батареи могут вести себя не совсем корректно - обманывать пользователя ложной информацией о текущем уровне заряда батареи, отключать телефон раньше времени, не давать заряжать батарею до полного заряда.

К сожалению, параметры индикации, заряда и разряда батареи стандартами для телефонов не регламентируются, поэтому каждый производитель волен поступать так, как ему захочется. Особо неприятно, что и в сервисных центрах не всегда могут помочь устранить проблемы с калибровкой АЦП, поскольку производители не предоставили им такой технической возможности.

Сам процесс измерения напряжения обычно происходит уже в цепях, расположенных на плате телефона, а между контрольными точками и реальными цепями в батарее есть еще несколько промежуточных элементов, оказывающих влияние на результаты измерений.

Прежде всего, это сопротивление контактов (Rк на Рисунке 1), с помощью которых батарея подключается к телефону. А в некоторых конструкциях телефонов существуют еще и дополнительные промежуточные контакты между элементами на корпусе телефона и печатной платой. Конечно, производители телефонов предпринимают меры для того, чтобы эти контакты имели минимальное сопротивление, и не теряли своих свойство с течением времени. Тем не менее, загрязнение контактов, о чем я уже писал в предыдущих постах, может оказать весьма заметное влияние на результаты работы. Ведь увеличенное сопротивление контактов, как и внутреннее сопротивление батареи, приводят к тому, что в момент максимального потребления тока передатчиком, напряжение в точках измерения может стать ниже установленного предела, в результате чего, процессор выключит телефон, посчитав, что батарея сильно разряжена.

Таблица 1. Напряжения, измеряемые АЦП (V) в зависимости от напряжения батареи (E), внутреннего сопротивления (Ri) батареи и сопротивления контактов (Rк).

Для простоты подсчетов и наглядности я взял круглые значения, но потребление тока близкое к 1А не является чем-то особо странным, особенно во время работы передатчика GSM900 на максимальной мощности (2 Вт).

Таблица показывает, что увеличение сопротивления контактов может вызвать преждевременное отключение телефона. Такой эффект наблюдается в момент входящего или исходящего звонка, отправки/получения SMS, проверки баланса и других операциях, когда включается передатчик.

Практический вывод - держите контакты, через которые батарея подключается к телефону, чистыми, если хотите, чтобы телефон дольше работал в автономном режиме!

В движении

Для того, чтобы сеть знала, через какие базовые станции нужно разыскивать мобильное устройство в случае входящего вызова или входящих сообщений, она должна с определенной точностью иметь информацию о зоне, где находится телефон. С этой целью при включении телефон регистрируется в сети, а при перемещении по территории зоны обслуживания он выполняет перерегистрацию в новой зоне Location Area. Каждая перерегистрация требует короткого сеанса двухсторонней радиосвязи, в ходе которой происходит проверка полномочий телефона (установленной в него SIM-карты), и телефон получает новый временный идентификатор (TMSI).

Каждый такой сеанс связи вызывает дополнительный расход энергии батареи. Следовательно, телефон, который много перемещается по зоне обслуживания, будет быстрее разряжать батарею, чем в случае, если он просто лежит на одном месте.

Доставка информации по расписанию

Работа телефона в режиме ожидания предполагает довольно много событий, обычно незаметных для пользователя. Для того, чтобы иметь возможность принимать входящие звонки и сообщения, телефон прослушивает информацию, передаваемую базовыми станциями сети.

Сеть GSM устанавливает своеобразное «расписание», в какие отрезки времени она может передавать информацию для конкретного устройства. В зависимости от количества абонентов, пребывающих на конкретной территории, инженеры могут делить телефоны на разное количество PAGING GROUPS, вызов которых будет выполняться во время разных мультикадров. Изменяя значение параметра BS-PA-MFRMS, инженеры могут заставить телефон включать приемник для приема адресованных ему сигналов в каждом втором, третьем или только в каждом девятом мультикадре.

В «расписание», помимо периодов времени, когда могут поступить сигналы вызова, могут входить еще и прием вещательных сообщений (Cell Broadcast), которые используются для доставки на телефоны информации о местоположении (MOCKBA - OBLAST, например) или для реализации других услуг.

Очевидно, что чем чаще телефону необходимо включать приемник, тем больше будет потребление энергии от батареи, и, соответственно, меньше время автономной работы.
Если пользователь повлиять на настройки сети не может, то можно задуматься о настройках телефона, влияющих на дополнительные включения приемника. Например, можно отключить прием вещательных сообщений сети (Cell Broadcast), или смириться с тем, что пользование дополнительными услугами стоит уменьшения времени автономной работы.

2G/3G

Изучая параметры телефонов при выборе покупки многие наверняка замечали, что обещания производителей относительно времени автономной работы одного и того же телефона и в режиме ожидания, и в режиме разговора в сетях 3G меньше, чем сетях 2G. Казалось бы, технический прогресс должен давать противоположный результат?

Дело в том, что в 3G используется принципиально другой способ упаковывания информации для передачи по радиоканалу и формирования радиосигнала. Обладая многими преимуществами перед аналогичными операциями в сетях 2G, обработка информации для передачи по радиоканалу в сетях 3G требует существенно больших вычислительных ресурсов, а также использования непрерывного приема сигнала базовой станции.

Производители оборудования изо всех сил стараются уменьшить потребление энергии всеми физическими элементами мобильных телефонов, обеспечивающими связь. Одним из ухищрений является возможность отключить подачу на SIM-карту сигнала тактовой частоты и напряжения питания в промежутки между сеансами обмена информацией между телефоном и SIM-картой. Вот только реализация такого режима не всегда получается безупречной. В результате, некоторые телефоны в промежутки между сеансами связи с SIM-картой не могут уснуть достаточно глубоко. Результатом таких ошибок может быть, например, бессмысленное снабжение SIM-карты напряжением питания и сигналом тактовой частоты, приводящие к дополнительному расходу энергии батареи, и, следовательно, необходимости более часто заряжать батарею.

К сожалению, пользователь в этом случае мало что может сделать. Помочь устранить проблему может только выпуск и использование новой версии ПО телефона.

Так как же расценивать обещания производителей о времени автономной работы?
Прежде всего, обратите внимание, что производители обычно пишут аккуратно - «до ХХХ часов в режиме ожидания» или «до Х часов в режиме разговора». Это означает, что данные относятся к, условно говоря, «идеальным» условиям автономной работы телефона.

Например, для времени работы в режиме ожидания:

• Телефон используется только в режиме ожидания. По нему не говорят, не жмут кнопки, не включают подсветку, FM радио, плеер, не используют игры или какие-то приложения, выполняющие обмен информацией по сети и т.д.;
• В сети установлен наиболее «щадящий» режим работы для телефона - максимальное значение BS-PA-MFRMS = 9, из-за которого телефон максимально редко включает приемник, сеть не требует подтверждать свое местонахождение «по расписанию» путем операции LOCATION UPDATE.

Для времени работы в режиме разговора:

• Телефон находится рядом с базовой станцией, что позволяет установить минимальную выходную мощность передатчика телефона, а значит наиболее экономно расходовать заряд батареи;
• Разговор происходит непрерывно, за счет чего сокращается длительность интервалов, например, в начале разговора, в течение которых телефон вынужден работать на повышенных уровнях выходной мощности, пока базовая станция своими командами не установит минимальную выходную мощность передатчика телефона.

Понятно, что в реальной жизни телефоны никогда не используются в столь «идеальных» условиях, а поэтому и реальные значения времени автономной работы заметно меньше заявленных максимальных значений.

Но ведь телефоны покупают для того, чтобы пользоваться предоставляемыми ими функциями, а не для того, чтобы только соревноваться в длительности автономной работы?

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber