手机节能需求日增，看厂商应对之法

　　自从苹果iPhone等智能手机推出以来，大家对手机的可玩性有了很大程度的提升，而随着大屏幕、多核等特性成为智能手机的主流，同时厂商又在追求更薄的终端体验的同时，囿于电池技术没有新突破的困局。为了最大限度地提高手机的续航时间，提高用户的体验满。从CPU芯片厂家到电源管理厂家都物尽其用，采用各种方法“省电”。

　　旨在提高能耗比的big. Little

　　根据最新数据显示，ARM在智能手机的占有率达到了惊人的90%，但随着用户对智能手机的性能要求逐渐增加，ARM公司只能逐渐改善其架构，逐步退出了Cortex-A15和Cortex-A12等架构，在当前更先进20nm制造工艺未能更成熟，而28nm制程却无法满足提高足够性能的同时将功耗控制在合理水平。因此ARM就推出了big.little这个概念。

　　根据ARM官方网站介绍，big.LITTLE 处理解决了当今行业面临的一个难题：如何创建既有高性能又有极佳节能效果的片上系统 （SoC） 以延长电池使用寿命。其具体实施将 高性能的ARM Cortex-A15 MPCore™ 处理器的性能与低功耗 Cortex-A7 处理器的节能效果结合在一起，使同一应用程序软件在二者之间无缝切换。也就是说在运行程序时，根据任务的难易程度选择高性能高功耗或者低性能低功耗的处理器，而不需要在运行任何程序的同时都在处理器满载的情况下运行，以节省能耗。根据ARM介绍，big.LITTLE 可以使电池的使用寿命延长高达 70%。

　　而在ARM提出这个设计之后，高通、三星和联发科等公司都相继退出了相应的处理器方案。在跟进ARM的设计之余，这些厂家还公东推动CPU和GPU协同运算的异质系统架构（HSA）标准，减轻CPU的负担与耗电。

　　PC领域的王者Intel现在在移动领域奋起直追，继年前推出了其Bay Trail处理平台后，凭借Intel先进的22nm工艺制程，Intel的下一代ATOM处理器不但能够在性能上和ARM处理器掰手腕，而在备受诟病的英特尔X86架构功耗问题得到了很大的提升。

　　其实相对于其他厂家要借助台积电等晶圆厂的制程更新迭代，我更看好的是Intel这种至上而下的产业链，毕竟自家的孩子，谁不心疼呢？看好未来Intel在移动领域来一个华丽的逆袭。

　　屏幕节能是关键

　　现在的主流旗舰机基本都是4.5英寸以上的屏幕，庞大的手机屏幕成为智能手机的耗电第一大户，这是毋庸置疑的事情。要提高手机的续航时间，那么如何从屏幕入手节省功耗，也成为各大厂商关注的问题。

　　当前市面上的手机显示屏幕主要分为两个阵营：一个是苹果IPS屏幕领衔的TFT-LCD阵型和以三星AMOLED牵头的LED显示领域。

　　IPS硬屏技术是世界上最先进的液晶显示技术，也是在节能技术方面的又一重大突破。IPS硬屏技术创造性的将液晶分子水平排列，减少了液晶层厚度，从而改变了液晶屏的透光率。另外，IPS硬屏采用双极驱动技术，使像素开口率提高25%。由于增大了透光率，IPS硬屏应用在液晶电视上可以降低背光灯的功率，从而达到节能省电的效果。

　　而AMOLED，也就是主动有机发光二极管，作为三星的独家产品，凭借着自发光、无背光源，具影像色泽美丽、省电等优势，迅速成为了手机面板市场新宠。

　　根据IDC的研究院表示：AMOLED面板因为采自发光，没有光线穿透率的问题，所以较省电。如果要让画面更细致，仅须在制程上精进，因此在手机应用上已相当具优势。

　　同时处理器厂家也会采取相关的技术来节省屏幕功耗。据NVIDIA最新信息透露，其最新行动处理器平台中已导入第二代PRISM技术；该方案透过多核心GPU加高阶影像演算法，将画面切割成不同区块并侦测明暗变化，由处理器动态调整LED背光源亮度，进而省下40%显示器功耗。

　　而一线的处理器大厂亦计划下一代产品中导入eDP 1.3版的PSR功能，让GPU在屏幕画面静止时休眠，直接由显示面板的时序控制器（TCON）执行资料更新，以节省面板传输介面的耗电量。

　　而电源芯片商则在面板电源管理方案中，采用PMIC整合位准转换器（Level Shifter）的设计，主要是友达、群创等面板厂跟进韩系厂商策略，将闸极驱动器（Gate Driver）电路直接内嵌在面板中，开发GIP（Gate in Panel）方案提高组装灵活性，使过去大多与闸极驱动器整合的位准转换器独立出来，PMIC厂为进一步改善系统功耗与体积，遂开始整合其他分离的电源切换元件。

　　PMIC改良的必要性

　　我们知道，PMIC是是整个手机电源分配的“掌控者”，其在电源管理技术方面的革新，是延长智能终端续航时间的关键。

　　因应这处理器规格的转变，PMIC业者亦紧锣密鼓研发新一代电源管理技术，除因应big.LITTLE大小核心切换需求，推升PMIC的电压、电流动态调整速度外，也将发展大电流输出方案，以满足HSA处理器同时驱动CPU、GPU等异质核心的供电需求。

　　奥地利微电子的市场经理Don Travers表示，随着产品尺寸日益多元，上市时程压力剧增，品牌和处理器业者均希望尽量缩减设计改变幅度和成本，并达到新产品快速上市的目标，已刺激手机、平板通用型PMIC方案崛起。

　　而在平板的PMIC设计方面，由于平板对高清和运算能力的需求不断攀升，就迫使相关PMIC厂家转向导入笔电电源拓扑，以及手机PMIC的封装技术，期缩减导通损耗与零组件用量，进而提高转换效率。据相关电源芯片商透露，平板PMIC将逐渐引进高阶电源拓扑设计架构，包括以往在笔电电源晶片中採用的桥式整流器 （Bridge Regulator）、同步整流方案，以及新一代单电感多重输出（Single Inductor Multiple Output）技术，进而提高装置电源转换效率。厂商并逐步将PMIC介面改为I2C可编程设计，以优化面板调光、开关等参数的调整机制。

　　而高通、戴乐格（Dialog）正积极布局整合MCU及DSP核心的下世代PMIC，藉以提升芯片整合度，让行动装置业者有更多设计空间塞进新应用功能，并提高电源管理效率。

　　其他方面的节流

　　在PMIC和处理器等厂家力推节点方案的同时，感测器供应商也力推环境光（Ambient）加红外线近接（IR Proximity）光感测器模组，让手机屏幕亮度能动态调整，或在毋须开启画面的状态下自动关闭背光，进而延长装置续航力。

　　而根据剑桥大学的工程师团队的研究表明，手机最耗电部件的不光是屏幕和处理器，还有功率放大器。功率放大器负责将将电能转化为无线电信号，现代手机往往需要使用多组功率放大器。工程师们认为，只要对这个组件进行一定的调整，就能有效控制功耗，让手机续航时间大大提升。

　　该小组通过研究发现，现代手机中功率放大器的效率低得吓人，在信号一般的时候，如果把手机的总能耗看作100%，起码有65%是功率放大器消耗掉的。以iPhone 5为例，它拥有6个独立的功率放大器，至少多消耗了60%的电量。

　　工程师们给出原因如下：晶体管功率放大器有两种基本模式，平常状态下的标准模式和输出信号模式。要想省电，就必须让其在标准模式下尽可能保持低功耗。但是如果从低功率的标准模式直接转为高功率的输出信号模式，往往会使信号不稳定，因此现有的技术只能调高标准模式下的功耗，这样一来电量就在无形中被消耗。

　　好消息是，麻省理工学院的工程师已经研发出一种新型功率放大器，它使用数字化的模式转换来降低功耗，每秒钟至少可以减少20万次电压变化的过程，搭载此种放大器的手机续航将会变长。目前此种技术还在实验阶段，使用该技术的LTE手机有望明年上市。剑桥工程团队的目标是通过此种调整，电池续航将增加一倍。现在不能换电池的手机越来越多，对于电池吃紧的同学来说，这绝对是一件好事，就算技术没有工程师们想象的那么理想化，能把续航提升10%也是好的。

　　回归到基本——电池容量

　　尽管智能手机的系统节能设计功夫已有长足进步，但手机厂最终的期待仍是扩充电池容量，但目前的情况是手机电池效能每年提升比重仅约 5~8%，远不及新产品功能演进速度，因此，电池业者已规划从电池正负极材料、驱动电压和极板设计三方面着手，期能兼顾电池体积、容量和成本。

　　三星SDI近期已在电池表面镀上新材料，开发出4.4伏特（V）高压驱动的锂电池方案，藉以改善电流耗损过多的问题，并妥善利用每一分电力；同时，该公司也利用涂布製程及特殊复合材料，提高电池极板的能量密度。至于乐金化学（LG Chemical）和日本户田工业等日韩电池材料大厂，则投入开发下世代正负极材料，将以锂三元系、氧化硅等方案增加蓄电量。

　　显而易见，随着行动装置功能规格迅速攀升，晶片商、电池和量测业者均不遗余力发展「开源节流」的解决方案。其中，由于PMIC掌管系统供电，对新一代行动装置的发展尤其重要，产值可望从2012年的15亿美元，飙升至2016年的24亿美元，为相关业者带来更多商机。