灵活控制供电量与顺序 可配置PMIC延长手机电池寿命

　　显示器、处理器及无线通讯晶片，是智慧型手机主要的耗电来源，不过这些零组件并毋须长时间处于运作状态，因此手机设计人员只要利用可弹性配置供电量与供电顺序的电源管理晶片（PMIC），灵活控制各关键元件开关状况，即可达到手机电池寿命极大化的目的。

　　让手机维持长效电池寿命的关键因素，其实就是试着不要一次处理太多事情，可惜往往事与愿违。因为在这个手掌大的机器里，不断被放进制造商的各种技术，使其成为一种复杂的技术混合体。

　　GPS耗电凶　手机电量2小时用罄

　　全球卫星定位系统（GPS）系智慧型手机用来找出使用者所在位置的功能，必须依靠手机来接收及解码由轨道卫星所传送的精确时间讯号。解码的过程需要手机内部的处理器不断运作，藉以从背景杂讯中挑选出微弱的讯号，并沿着开车的路径反覆相互比较，以测定你的位置。

　　当行驶的速度越快，则消耗的能量就越大。若在未接上充电器的情况下，使用智慧型手机做汽车导航，一般的手机电池会在1？2小时耗尽。应用处理器负载的影响可以很容易地被「测量」，你只需要将手机留置在一个固定的地方（静止状态下），并开启全球定位系统，测试电池电力的持续时间。只要在不使用时关闭全球定位系统，就能拥有最长的电池寿命。

　　基地台讯号强弱　决定Wi-Fi功耗

　　另外一项主要的功率消耗来源就是无线区域网路（Wi-Fi）介面。它所需要的功率，端视你从基地台或是家用路由器所获得的讯号强度而定。这不仅与物理距离有关，在路径上吸收讯号的材料数量也有所影响，例如像是墙壁。

　　将家用路由器放置在靠近窗户之处，然后朝向街道或花园，你就可以清楚看见其中的影响。你将会观察到讯号的强度逐渐下降，不过只要是在视线范围之内，讯号就可能持续好几百公尺/码；但若你在几道墙之后，讯号传送距离可能只在路由器几公尺内而已，因为有许多讯号被墙壁吸收。

　　另一项因素是该区域内的其他Wi-Fi讯号。假如你试着在主要街道上，或是在接近住宅区的地方搜寻Wi-Fi讯号，你将可能搜寻到二十个或更多的Wi-Fi名称。要在这个讯号丛林中进入你所选择的Wi-Fi路由器，将会需要更多功率，电池寿命也因而降低。

　　所以，当你不使用它的时候，请把Wi-Fi关闭，这将可显著延长下一次的充电时间。

　　具备高资料传输速率　LTE影响手机电池寿命

　　在你使用手机来进行通话，或是使用全球行动通讯系统（GSM）、3G或长程演进计划（LTE）网路来收发电子邮件时，类似的效应也会开始产生作用。如同使用Wi-Fi般，这些网路依靠基地台来进行电话通讯。你的电话一次锁住一个基地台，在当下挑选一个能提供最强讯号的基地台，并且与它进行通讯，甚至当你的手机没在使用时也是一样。

　　基地台会检查你的手机是否在范围之内并且开启，所以它们可以将来电引导至你的手机上。假如是在范围之内，手机则将会回覆：「是的，我仍然在此」。假如你的手机并没有被使用来通话或是传送资料时，这样的过程会每15分钟左右发生一次。

　　如果手机正在使用网路时，使用者有时可以听到这样的过程发生：这个讯号会在音讯缆线上产生干扰，所以你会在扬声器中听到「叽叽喳喳」杂讯爆音。即使基地台是在范围内，但是来电者数量达到其容量满载的程度时，这种情况也还是可能会发生。这时你的电话将会动态地被引导至另一个基地台，这可能需要有着更多的功率来存取它，因为讯号的强度比较弱，这也再一次影响到电池寿命。

　　智慧型手机现在也有短通讯（Short Communications）以及其他许多有潜力的服务，来将电子邮件等资讯「推播」出去。举例而言，天气的应用程式可能每隔5或10分钟就会检查新的天气资讯。你可能会认为你没有「使用」你的手机，但事实上它正在为你忙碌的运作着，它就像是每天打电话给别人10小时，而这将从电池消耗掉更多的功率。克服这种状况的一种方法：就是从你不常使用的应用程式中，关掉自动通知的功能，或是停用LTE、3G及Wi-Fi通讯。LTE是迄今为止拥有最高资料传输速率的通讯技术，将从电池取走愈多的能量；GSM或2G则使用较少的能量，因为只有较少的资料被传递至手机及来自手机。

　　当你在移动时，事情会变得更为复杂，因为你将会变换基地台非常多次。这在传出与接入基地台之间，将需要复杂的通讯来「换手（Hand Over）」通话或是资料的连接，而这将取用更多的能量，甚至可能在你没有移动的时候也会发生。在人口密集的区域里，一座单独的建筑物可以接收来自数个不同基地台的讯号。当你在房间内四处移动的时候，因为无线讯号从墙壁反射的路径不同，因此讯号强度将会持续变化，而被一直强迫移交至不同的基地台。

　　避免耗电　萤幕背光源应在需要时启用

　　另外一个智慧型手机电量之所被快速耗尽的原因在于，相较于传统手机，使用者花费更长时间来看着智慧型手机萤幕。在手机中，萤幕是消耗相当多功率的项目之一，更准确地说，是手机使用的液晶显示器（LCD）背光源所造成的。

　　LCD内部导入采电子式控制的彩色滤光片：它会过滤掉背光板产生的白光。在这个背光板上有着一些发光二极体（LED），它们会在萤幕使用时开启。在此的功率节约方式是将背光开启时间切换至最小值，所有手机在这项设定上可被设定为几秒至几分钟左右。将它下调至5或10秒，如此你将可以省下许多功率。假如萤幕「变暗」或切换至「关闭」时，只要点击任何按钮就可以将背光切回至开启状态。

　　新世代的有机发光二极体（OLED）显示幕，本身可以发射出光线，因此不需要背光板；虽然它们应该会更有效率，但同样的法则也适用：保持显示幕仅在使用的时候才开启。

　　除了使用者本身来控制智慧型手机的消耗功率之外，利用手机软硬体也可降低功率消耗程度。

　　［@B］不牺牲效能　大小核架构降低处理器功耗［@C］ 不牺牲效能　大小核架构降低处理器功耗

　　在智慧型手机中有两组重要的电脑或微处理器（MPU）：基频处理器（BB）及应用处理器。基频处理器负责处理网路事宜；应用处理器则是负责处理应用程式、音讯、视讯及触控萤幕。

　　LTE基频处理器是一种极其复杂且先进的装置，它是使用20～40奈米的半导体制程所制成，换言之，一个10平方毫米的晶片包含数亿个电晶体。

　　因为应用程式成为智慧型手机的销售关键，使得应用处理器的重要性大幅增加。过去在单一应用处理器上仅有一个微处理器核心，现在可能是两个或更多个，而且通常使用安谋国际（ARM）架构的某些版本（图1）。这种处理器核心的增加，虽然看起来很奇怪，但却有助于功耗下降。

　　

　　图1　ARM big.LITTLE架构仅在有必要时启用功能最强大的（Cortex-A15）核心；并由效率极高的Corex-A7核心来执行大部分的工作。两者都可以被运用在四核心处理器上。

　　安谋国际的big.LITTLE架构结合一个小的节能型Cortex-A7及一个快速的Cortex-A15来满足功耗较大的任务。处理器核心的威力越强大，及所使用的核心越多，则尖峰功率需求就越高。所以这个A15会在不需它强大的处理能力时关闭，例如当你正在讲电话或是写电子邮件的时候。假如你想要播放三维（3D）游戏时，则A15就会启动，因为A7可能无法处理这项工作。

　　应用处理器上越来越重要的部分在于绘图处理器（GPU），它有助于绘制使用者介面，且是现在智慧型手机游戏如此流畅、快速的主因。GPU负责处理使用者介面、流畅的动态渲染、3D游戏/导航、扩增实境、脸部特征侦测及手势识别等。

　　介于Cortex-A7这种CPU及GPU之间的差异性在于，CPU比较擅长于固定的、整数的运算，它无法快速执行浮点运算；然而GPU非常擅长于浮点运算，但是在整数运算上就无法如CPU那般快速。先进的应用处理器包含两个GPU，而嵌入四个GPU的处理器则正在开发中。

　　最新的智慧型手机出现两个双核心（如两个big.LITTLE核心）以及四核心的应用处理器设计。这种开发的重担正转移至软体上：要如何在四核心之间去分配或指派任务呢？当八核心的处理器开始出现之后，这将会成为更大的挑战。这个问题也与究竟多少任务会同时运行而有关。

　　在未来，更多的任务将被分配至应用处理器，来创造像是扩增实境这类有效率的高阶应用程式。这些有着扩增实境的新款应用程式，如在手机照相机上可发现到的物件套用情境模式（Lassoing），极具发展潜力。这意味着未来的应用处理器将包含着更多个GPU，以及可能有两个或四个CPU。

　　GPU的高尖峰效能所带来的代价就是：功率。再一次强调，当它不被需要的时候，这个GPU可以被关闭。

　　需要时才启用AP　可配置PMIC提高节能效益

　　在任何时候，确保仅有绝对被需要的硬体才能被驱动，这其中的关键系于另一个元件：电源管理晶片（PMIC）。这个元件在系统中扮演着如同交响乐团中的指挥角色，告诉硬体何时被唤醒以及何时进入休眠来节省能量。这个PMIC经常被分成基频与应用处理器两个部分，对于半导体产业而言，这在一开始似乎是有违直觉的。传统上，半导体产业是将许多功能，甚至是将许多晶片整合至一个新晶片中。然而PMIC之所以仍然维持分离，则是有一个好理由。

　　PMIC必须产生高达三十组不同的电源供应，方能提供正确的电压及电流组合予基频及应用处理器的不同元件来使用。藉由提供较低的电压来减低处理速度，而不是在所有时间内都以尖峰速度来运行，这有可能可以节省额外的能量。因为能量的消耗与电压成正比，因此所节省的能量相当可观。但重要的是每一个处理器或是硬体部分都可得到完全正确的电压，这也就是为何PMIC必须要能够产生如此多的不同电压源。

　　供电顺序成为另外一项重要的考量（图2）：工程师无法在同一时间或以随机的顺序，来开启三十组电压。应用处理器须在记忆体被供电之前先驱动，且基频处理器必须在3G网路开启前先有电源。你也需要以正确的顺序来关闭元件的电源，且这个顺序必须在手机启动时的所有时间内都维持一致。

　　

　　图2　戴乐格的Power Commander GUI可以针对任何四核心、双核心或单核心的应用处理器，配置精确的供电顺序。

　　手机有着渐进的休眠模式，从轻眠到深度睡眠模式，这时几乎所有的东西都关闭。大多数这种渐进的电源管理，是终端用户所无法察觉的。你可能注意到它偶尔会花费比正常更久的的时间来完成一定的操作，如像是启动您的网际网路浏览器。

　　PMIC也协调充电作业。不同于较旧的消费性电子装置所使用的镍镉或镍氢电池，如果你在第一次没有完全的放电，这个记忆将会减少你可以对这个电池充电的量，而现代的手机多使用锂离子（Li-Ion）电池，这些电池没有「记忆」，所以频繁的对锂离子电池充电，除了必须找寻墙上的插座所带来的不便之外，并无任何不利之处。事实上，经常的从较少放电的状态下来对它充电，反而可以改善电池的整体寿命。

　　然而，对锂离子电池充电，其充电原理完全不同于对一些汽车的铅酸电池充电。锂离子电池须要非常小心且须在控制下进行充电，甚至是以不同的模式来充电。电池的充电器分属于好几部分：插墙式的充电器、手机PMIC中的充电电子元件，以及电池本身内部。

　　这个PMIC侦测到不同的充电情境，例如像是从通用序列汇流排（USB）连接线来进行充电、从墙上插座及无线充电。它在电池与手机的电子元件之间分配电源，并决定何时改变充电模式，以及何时电池已经充饱，所以它可以停止充电程序，或是将它慢下来，并进入涓流模式，如此当电话在使用中且还插着充电器时，电池电量才不至于耗用殆尽。

　　总的来说，PMIC是智慧型手机的沈默管理员，努力为你工作，使得两次充电之间的电池寿命可以极大化，并确保在插着充电器时能够获得正确的充电量。而藉由关闭浪费电量的应用程式及模式，你将可以为延长智慧型手机电池的使用寿命伸出援手。