從整體設計考量手機與行動裝置節能設計方案
- 黃柏凱
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針對行動應用需求設計的電子產品，開發產品勢必得面對電源應用最佳化的議題，最直接的方案除了是加大電池容量外，選用更省電的零組件也是常見方案，但行動裝置的節能設計方案不能只是單方面考量，必須就產品的整體特性選用最佳化設計方案...
數位科技發展神速，智慧型手機的功能幾乎就像部小電腦，甚至連PMP(Portable media player)這種數位產品，都爭著採多核心處理器架構來因應更多、更大量繁複的影音處理需求，而隨著用戶對產品功能、性能的多方面要求，有限的產品體積下也讓產品的電源管理設計要求越來越嚴苛，需考量的面向也更多、更複雜。
以智慧型手機為例，用戶最煩惱的就是碰到手機沒電，或經常必須面對充電這件事，對於產品設計而言，解決延長手機使用時間的設計方案中，直接加大電池容量是最直接、高效益的設計方案，但現實的狀況是用戶對於手機的整體重量，應該越輕、越薄越好，無限制地加大電池容量的設計方案雖然可用，但肯定無法面對上市的嚴苛競爭。
行動裝置可朝重點項目進行節能設計
為求在有限的電池容量限制下，行動電子裝置的設計必須從多方面著手進行功耗改善，以行動電話為例，左右整體產品電池續航力的重點項目即處理器、顯示屏與功率放大器(Power Amplifier)三項設計，若能就這3方面全面進行設計規劃，將可進一步延長行動裝置的電池續航能力。
多數的設計方案中，電源功耗的來源大都是來自應用處理器或圖形加速晶片，在螢幕未開啟前，應用處理器會處於低功耗模式運行，維持裝置基本的網通應用需求，而圖形加速晶片則處於低功耗狀態，隨時等待設備屏幕喚醒，當顯示屏幕受觸控或系統觸發事件開啟後，應用處理器與圖形加速晶片會同時進入高速運行模式，因應未來的顯示處理與操作應用需求。
處理器、圖形加速晶片可利用DVS技術節能
觀察手機的顯示屏，並不是恆時處於啟用狀態，這代表應用處理器、圖形加速晶片都不需以全速運行，而是可以適時採較低功率運行。這時可以在電源電路方面採行動態電壓調節技術(dynamic voltage scaling；DVS)，DVS相當適合手機或PMP這類可攜式電子產品，因為透過驅動電壓的動態調節，可讓耗能較高的晶片搭配可控制的電源電壓供應，令其在低功耗狀態以低於核心的電壓供應同時降低時脈方式，達到降低應用處理器、圖形加速晶片耗能的設計目的。
處理器的時脈頻率若越快，基本上也代表其功耗越高，但隨著處理器核心電壓調低時，處理器的功耗會以平方的水準降低。在設計案中，應用處理器可採用附I2C(Inter－Integrated Circuit)介面之DC-DC轉換器來提供驅動電壓，達到最佳省能效果。
I2C介面可用數十mv的電壓階段自0.7v~1.9v範圍對驅動電壓進行動態程式化調整，來滿足晶片因應處理狀態的供電驅動需求，例如，當用戶處於點閱Youtube線上影音時，DC-DC電壓轉換必須以1.2v供應應用處理器的電壓，令處理器全速運行，讓裝置可具備最佳運行效能處理繁複的線上影音解碼、呈現工作，但只要影片播放的需求結束，DC-DC電壓轉換必須能將處理器供電適時壓低，令應用處理器核心電壓僅具低速模式所需的低壓驅動，達到因應工作需求動態調配的供電設計。
行動裝置屏幕趨大化 可從驅動IC節能下手
再來檢視第二大耗電的顯示屏幕省電設計，對用戶來說，在行動裝置做任何操作，如聯絡人查詢、瀏覽網頁、收發電子郵件...，顯示屏都必須處於常開狀態，針對行動裝置應用需求，目前使用大宗為TFT LCD螢幕搭配LED提供背光，但隨著行動裝置的顯示屏有持續加大的趨勢，如現在最熱門的Samsung Galaxy Note即具備5.3吋螢幕，HTC手機也多得是4~4.7吋螢幕尺寸。
而螢幕增大即意味著背光也必須同步提升，例如，裝設更多白光LED或是提高單位亮度，不管是增加LED數量還是提升單顆元件的發光效率，都會對供電系統造成更多的負荷。多數在高階智慧型手機設計中，會利用動態背光控制(Dynamic Backlight Control；DBC)與自動調光(Auto Luminous Control；ALC)雙管齊下，來降低螢幕造成的耗電量，同時利用這些動態調校功能，也能兼具提升使用者視覺體驗效果。
在一般設計中，ALC為利用裝設於設備的一組環境光感測器(Ambient Light Sensor)，來檢知環境光現況，同時以並根據預設的參數資料同步控制LED驅動IC進行LED驅動電流調校，例如，在環境光較亮時LED驅動電流相對調高，而環境光降低時，LED驅動電流自動對應調低，讓背光驅動亮度不需用戶自行手動調整，利用ALC就能自動進行設備省電。
除ALC外，利用DBC技術也是另一項省電重點，因為DBC設計可針對顯示於屏幕的內容、狀態來進行動態調節背光LED驅動電流，例如顯示內容偏暗可動態調亮背光(加大驅動電流)，DBC透過PWM訊號控制驅動IC輸出電流，而具I2C介面的LED驅動器，也可利用系統設計，來支援ALC和DBC對應之省電功能，透過完整的環境光參照資料控制驅動IC電流輸出，再搭配ALC與DBC技術，最多可以對於屏顯耗電有50%以上的改善幅度。
PA節能設計可改善整體功耗
在眾多省電設計中，以行動電話設計方案來觀察，基頻與射頻發射器的功耗節約設計已趨近極限，即是說在基頻與射頻發射器的節能設計的再改善空間有限，反而是功率放大器的可改善空間較大。
功率放大器(PA)在行動電話中，必須長時間持續運作，以便令手機能與基地台發射語音、資料傳輸。從耗能的角度檢視，3G網絡在訊號接收不良時，因為PA需持續加強輸出來維持信號傳輸與接收品質，這時的系統功耗會是最大的狀態。
PA的節能技術可從幾個方向著手，例如，採取DC-DC轉換器設計方案，可將3G的功率放大器電壓降到可同時滿足輸出功率與降低耗電量的動態調校要求，另一種方式是儘可能的降低廢熱，利用電路設計將電源管理IC的熱源分散，將對降低功耗、延長產品連線時間有益。藉由動態方式來調節功率放大器PA的電壓與電流，可令DC-DC電源轉換器可再延長至少15~20%的語音通話或無線資料傳輸時間。
