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智慧管理電源 手持式裝置更來電
 

【作者: 王明德】   2019年04月15日 星期一

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圖1 : (source: Siemens – Global)
圖1 : (source: Siemens – Global)

手持式裝置向來以消費性產品居多,例如智慧手機、平板電腦等,工業電腦以往均為製造現場所用,較少設計成手持式,不過這幾年工業電腦觸角快速往外延伸,工廠以外的各種垂直市場需求不一,手持式設計也開始成為工業電腦廠商必須面對的課題之一。手持式裝置必須便於攜帶,因此特點是體積小、待機時間必須長,但卻又無法隨時充電,在此情況下,電源管理相當重要。


或許有人認為,現在消費性手持式產品如手機等,都已發展多時,電源管理等相關技術都已成熟,系統整合廠商大可直接套用,不必請工業電腦廠商另行設計。這種看法只對了一半,現在工業電腦廠商針對手持式裝置的電源管理,的確是用了消費性產品的電源技術,不過僅止於部份。消費性產品以手機為例,現在手機的功能多元,除了通話以外,還有拍照、上網、導航等多種系統,這些次系統的電源需求不一,設計者必須在有限的電源中,做出妥善的分配與控制。工業電腦的手持式裝置則是功能單一,不必針對不同次系統進行複雜設計,但必須針對各種差異性極大的垂直產業需求進行客製化設計。


電源管理三步驟

工業電腦的手持式裝置電源管理方案相當多,主要著重面向有三,包括進階軟硬體節電設計、亮度控制、智慧型電池。


在進階軟硬體節電設計方面,現在各處理器廠商都針對手持式裝置推出對應CPU,不但大幅降低了產品功耗,其晶片組設計也相當得當,系統會在不用電時進入休眠狀態,讓CPU可以不必全速運作,有助於功耗的降低。


這對於一般消費性產品已然足夠,不過對部份系統整合業者來說仍覺不足。在某些應用中,對低耗電的需求會超過效能,這些應用會希望耗電更低,針對這類需求,從BIOS與OS著手,可讓功耗低上數瓦。



圖2 : 工業電腦的手持式裝置必須針對各種差異性極大的垂直產業需求進行客製化設計。(source: www.carousel.eu)
圖2 : 工業電腦的手持式裝置必須針對各種差異性極大的垂直產業需求進行客製化設計。(source: www.carousel.eu)

另外,在硬體規格上做取捨也是降低耗電的方法之一,一般晶片組都會將多功能等設計進去,但在部份垂直產業應用中,這些不需要的功能雖可移除,不過如果不專精,所耗費的時間跟心力都會相當高。而在板卡設計初期與客戶溝通,可針對客戶需求設計出規格適當的產品,此外也可在系統中提供API,將API設計成標準介面,讓系統整合廠商可以自行降壓。


在亮度控制部份,LCD結構中,背光負責提供光源,因此耗電最兇,一般多針對LCD的背光進行調節,這並非新技術。不過,LCD的驅動IC都是面板廠在製造時即已內建,並設定好參數,要自行調整難度相當高,而即便調整好,一旦系統更換面板或應用程式時,所有的工作又必須再來一次。


這方面可將控制介面做在BIOS,在軟體上開一個介面給系統整合廠商,系統廠商可透過此一介面設計指令來更新韌體,且此一介面為統一標準,不會因為系統不同或人員異動,無法持續更新。


Smart Battery 充放電有技巧

以往這類API都設計在軟體中,且介面不一,建置在軟體中,容易因當機機率高,而造成系統停擺;介面不統一,則會因為應用程式更換,而必須重複更新、鏈結,徒然增加人力的負荷,後來已有廠商推出對應的作法。


其作法是在板卡的IC中內建各種控制源(包括亮度控制),讓系統廠商從標準API中設計、控制、更新指令,如此一來,不但系統在設計初期難度降低,中期的整合與後期的維修,也都更為容易。


與前面兩種作法相異,後期也有廠商推出不在系統面進行的作法,直接針對電池進行管理,這種智慧型電池可分為三部份,一是電池本身,二是智慧型充電裝置,三是電池壽命的管理機制。


電池方面,現在的手持式裝置多採用鋰電池,Cell數從2個到4個不等,廠商將其匹配成為一組電池。智慧型電池會有第一層保護,電池本身會有警告設計,當電池過度充放電,相關訊息會顯露出來,通知使用者注意,避免危險發生,智慧充電器是第二層保護功能。


由於電池的壽命決定於充電次數,一般而言,充電到達300次,會造成80%的損耗,到達500次就會失效。透過此類設計,使用者可自行決定電池的充電啟動時間,也就是當到達所設定的電量時,充電器才會啟動讓電池充電,避免電量稍微降低時系統就自動充電,進而降低電池壽命。



圖3 : 手持式裝置體積小、待機時間必須長,但卻又無法隨時充電,在此情況下,電源管理相當重要。(source: NXP)
圖3 : 手持式裝置體積小、待機時間必須長,但卻又無法隨時充電,在此情況下,電源管理相當重要。(source: NXP)

另外,智慧電池設計也可針對RAM設定備援控管,在一般狀況下,系統在休眠時會將資料載入RAM進行儲存,不過RAM屬於揮發性記憶體,一旦停電內存的資料就會隨之消失。智慧電池系統可偵測RAM的狀況,若設定系統的RAM沒電,資料會自動轉入另一部位的RAM,以避免硬碟中的資料遺失。


服務更趨完善 競爭優勢倍增

充放次數決定電池壽命,電池壽命管理主要功能,是記錄充放電次數,接著推算出電池壽命,並將訊息告知使用者,避免設備無預警停機,造成系統運作停擺,產生重大損失,從這三項降低手持式設備功耗的作法,可以看出工業電腦廠商市場定位的改變,業者必須不斷將服務往前延伸。


由於台灣市場不大,系統整合廠商的規模都相當有限,許多專案囿於資源有限無法進行,必須請工業電腦廠商在板卡設計時建入。然而客戶需求不同,單一設計無法因應所有客戶,每次都必須重新來過,因此彙整長期經驗心得,設計出功能齊全、介面標準的服務,對系統整合廠商來說不但實用而且貼心。


尤其是像非消費性手持式設備的電源設計,在工業電腦領域才算剛起步,系統整合廠商的資源與經驗都相當有限,透過相關設計,系統廠商無論是心力資源或設計時間都大幅縮短,降低系統廠商與使用者的設計與使用難度,讓競爭上優勢倍增,進而達到節能需求。


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