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行动装置电源管理新挑战
拥有高效能 电力不扣分

【作者: 陳韋哲】2014年02月17日 星期一

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随着行动装置日趋蓬勃发展,各家大厂无不使出看家本领,不仅竞相在硬件规格上奋力比拼,连在功能应用上也端出极具创新的UI,打算笼络消费者挑剔的心。不过,伴随智能型手机规格不断拉高,从最早的单核心芯片一路演进到双核心、四核心、甚至是最新八核心。


为了要满足用户对于行动运算、通讯与多媒体娱乐等多元应用,以及提供良好的用户操作体验需求的同时,却让高功耗以及散热等问题逐一浮现,使得行动装置对电源的要求也更加复杂化。


根据HIS iSuppli市场研究调查机构报告指出,手机的总出货量从2011年的14亿支,到了2014年将可望大幅成长至18亿支;其中又以搭载Android行动操作系统的中低阶智能手机为最大宗。


全球电源管理IC受惠于终端应用扩大、且对节能要求更为严格,估计今年市场规模将成长7.6%、达到322亿美元,并于2016年一路成长至387亿美元。显示消费者不只对于中低阶智能手机的功能与需求期待也越来越高,同时也期待行动装置在电池续航力方面,能够有更好的效能表现。


行动装置功能强大 电源续航力受考验


特别是在行动装置(智能手机与平板计算机)销售热潮持续不减的情况下,不管是功能以及相关应用Apps,都有逐步朝向PC化靠拢的趋势。从手机的操作习惯来看,从最基本拍照与音乐播放功能,直至最近热门的4K影片播放以及讲究3D声光效果的手游(手机游戏)等的操作模式,用户对于行动装置的效能需求可说是越来越高。


高通产品管理总监Abid Hussain表示,随着智能手机、平板计算机等行动装置效能越来越强大,高画质显示屏幕、多核心处理器、高速上网等功能加速电池消耗时间,现今的电池消耗比起六、七年前多出三倍之多。


除此之外,各国电信营运商陆续布建LTE行动高速网络以及无线局域网络802.11ac的崛起,用户在行动装置上下载与传送大型档案的需求逐渐升温,相关无线射频模块陆续被整合至行动装置,对于行动装置电量更是一大考验。


戴乐格亚洲区总经理Christophe Chene对此表示,随着4G日益普及,消费者使用智能型手机与平板计算机的方式也正慢慢改变,一方面会增加使用这些产品的时间,一方面会让产品执行更多功率密集的动作,LTE会提供相当快的数据下载速度,所以行动装置的电力消耗也同样快速。



图一 : 行动装置效能越来越强大,高画质显示屏幕、多核心处理器、高速上网等功能加速电池消耗时间。(图/gizmodo.uol.com.br)
图一 : 行动装置效能越来越强大,高画质显示屏幕、多核心处理器、高速上网等功能加速电池消耗时间。(图/gizmodo.uol.com.br)


因此,在行动装置设备软硬件同步追求多任务应用及高效能处理的同时,功耗过高的问题也随之形影不离。为了解决这些高功耗挑战,行动装置设备开发设计人员除了选择整合多功能的芯片组将可限度的电量最大化以外,应用高整合度的电源管理IC(PMIC)亦是相当热门的解决方案。


透过PMIC不仅能让设计简单化,以及有效减少控制电源所需使用的资源量,更能够提升电池续航力与满足消费者对于行动装置设备轻薄外观的设计要求。举例来说,以往常会使用到低压差线性稳压器(LDO)、直流转换器(DC/DC)之类的电源管理芯片,但为了方便产品开发设计人员简化设计与进一步缩小产品尺寸,低压差线性稳压器与直流转换器已被整合到行动装置的PMIC。


各大电源管理IC厂商们也开始开发针对智能手机与平板计算机能够相互通用的电源管理模块。因应行动运算需求,电源芯片商将以更先进制程,降低芯片输出电压及占位空间,并导入数字控制机制,减轻系统供电误差及待机功耗;同时也扩大与处理器业者合作,开发新一代低电压处理器供电技术和动态电压管理方案,以优化处理器电源效率。


至于锂电池厂则纷纷投入研发高效率材料与薄型封装方案,期延长各种行动运算装置的续航力。


芯片业者助攻 续航力加倍


除了有电源管理IC厂商针对PMIC不断进化与改善之外,行动处理器芯片业者在降低行动装置功耗部分,同样不遗余力。以Nvidia Tegra 4行动处理器芯片为例,不仅具备一个第二代节电核心,拥有更高的能源效率,适合低功耗的标准使用环境之外,其PRISM 2 Display技术能够在执行高阶视觉效果的同时,减少背光功耗。


Tegra 4在功率消耗方面与前一代Tegra 3相比,减少约45%,进一步提供行动装置长达14小时的高画质视讯播放时间。


而联发科近期所发表的真8核心行动处理器MT6592,同样也在低功耗方面的下足了真功夫。联发科技无线通信事业部总经理朱尚祖表示,面对移动终端高性能及低功耗两难的挑战,MT6592运用算法优化各个核心的工作负载,当运算需求、多任务执行时最多可以同时以8个核心运算,运算需求低时关闭闲置的核心,以达到节能的目的,提供用户更长的电池续航力。


Quick Charge充电快狠准


至于在高通方面,在去年(2013年)的国际CES会展中推出Quick Charge 2.0协议,让行动装置充电速度比起传统USB电技术快75%。Quick Charge 2.0能够兼容于1.0,比起1.0的10瓦充电功率,2.0将功率提升至60瓦。


Abid Hussain表示,随着行动装置设备所采用的电池陆续朝向高容量的电池迈进,为了提升电池效能,电源供货商必须设计出容量更大、更持久的电池来因应,然而过长的充电时间却因此成为另一项难题。


为此,高通在Quick Charge 2.0智能型手机充电器参考设计,相较于传统USB充电技术,可让行动装置设备(平板计算机或智能手机)的充电速度加快高达75%。简言之,让原本需耗时7小时才能充饱电量的平板计算机,大幅缩短在3个小时内便可将电量充满。


为了不让行动装置专享Quick Charge 2.0充电技术,其他电子设备同样也能受惠快速充电的便利性,Abid Hussain表示,Quick Charge 2.0充电技术并不会限于搭载高通处理器的设备,升级后的快速充电作为一个独立电路依然可用,甚至可以用在60瓦的笔记本电脑上。



图二 : Quick Charge 2.0充电技术大幅加快充电时间。(图/www.epidesg.com)
图二 : Quick Charge 2.0充电技术大幅加快充电时间。(图/www.epidesg.com)

包尔英特(Power Integrations)执行长Balu Balakrishnan也表示,Qualcomm的Quick Charge 2.0技术对行动装置用户来说,的确是一个重大进步。由于装置越来越耗电,OEM就设计出更大、更持久的电池来应对这一情况。


Balu Balakrishnan不讳言地表示,标准壁式充电器的功率传输能力有限,导致充电时间延长,进而增加用户的停机时间。Qualcomm的Quick Charge方案有助于解决充电瓶颈。


截至目前,高通已与其他电源管理IC合作伙伴(快捷Fairchild、戴乐格Dialog、包尔英特Power Integrations、恩智浦NXP)开始致力于扩大Quick Charge协议的生态体系,将Quick Charge 2.0协议打造成为micro-USB AC-DC墙插式充电器的新兴标准。Abid Hussain表示,预计将在2014年第一或是第二季,有机会看到搭载Quick Charge 2.0的设备或是采用Quick Charge 2.0协议的墙插式充电产品陆续上市。


结论


随着行动装置陆续朝向64位、多核化与LTE高速网络等功能前进,无疑是对行动装置电源的寿命以及续航力带来莫大的考验。电池芯片IC与行动处理器芯片相关业者持续在行动装置有限的电力发展创新电源管理技术解决方案,将可望解决行动装置电池补充以及电力维持的低水位警报。


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