可穿戴设备等智能终端续航瓶颈分析与解决方案

　　1 引言

　　电池续航是目前智能终端体验的最大瓶颈，这是普通消费者与专业人士的共识。过去几年，智能手机市场被硬件军备竞赛所笼罩，手机在硬件配置上遵循摩尔定律，但不包括电池技术，续航体验问题的日益突出本质上是手机电池需求过快增长与电池续航技术更新缓慢之间矛盾恶化的结果。除了智能手机，智能可穿戴设备、物联网IoT等新兴智能终端领域，也面临着同样的问题。

　　体验痛点意味着市场机遇，在终端硬件竞争进入平稳期后，电池续航能力成为一个重要的焦点，终端产业链上下游各方竞相研发低功耗新技术与新方案。本文从产业链视角，剖析智能手机、可穿戴及IoT终端产业链的关键环节为解决续航问题正在或者即将开始应用的新技术与新方案。

　　2 智能手机续航解决方案

　　从耗电角度，芯片、显示屏是智能手机的耗电主体，也是未来器件研发的关注焦点。电池新材质、新技术的应用是续航困境解决的根本。软硬一体的节电优化、快充则是终端厂商竞争的焦点。

　　2.1 芯片低功耗设计

　　作为智能手机计算处理的耗电大户，如何降低手机采用的各种芯片的功耗是降低整机功耗的基础环节。芯片产业链一直在研究提升性能的同时降低功耗，如何在性能与功耗之间取得平衡是未来芯片技术发展的焦点之一。

　　（1）芯片指令集精简与架构优化

　　ARM公司处于智能终端芯片生态链的顶端，在成立之初就致力于低功耗设计，为智能手机设计了ARM精简指令集（相对复杂指令集）。2011年11 月，ARM发布ARM V8指令集，将手机芯片带入64位时代。2013年，苹果首次采用A7处理器，高通、联发科等厂商也于2014年开始应用。目前采用ARM精简指令集和内核的芯片已经成为手机及其它智能设备的主流配置。

　　为解决手机芯片“核战”带来的功耗问题，ARM公司推出big LITTLE（大小核）架构［1］，将重效能的“大”核与低功耗的“小”核搭配使用，在满足手机高性能需求的同时兼顾低功耗。“大”核Cortex- A57重效能，设计主要源自Cortex-A15，但基于ARM所作的优化（如数据预取及增加Registers等），Cortex-A57处理 32bit软件比Cortex-A15快20％至30%。在实际使用中A57的功耗问题较为突出，不少采用A57内核的芯片出现发热问题，例如高通骁龙 810等，为此，ARM在2015年初发布优化后的Cortex-A72内核，若采用16nm工艺，相比上一代的28工艺下的Cortex-A15，性能达到3.5倍，而功耗可降低75%。“小”核Cortex-A53则在提供足够的性能下，尽量缩小芯片面积及功耗，没有采用Cortex-A57较耗电的乱序执行管线设计，而改用简单按序执行管线设计。Cortex-A53提供与上一代采用ARM v7指令集的Cortex-A9等级的效能，但芯片面积更小，可在同制程下比Cortex-A9缩小40%。如果使用20nm制程的话，面积仅为32nm Cortex-A9的1/4，有助于在降低成本同时降低功耗。

　　（2）通过制程工艺提升降低功耗

　　相比较指令集和芯片架构设计，芯片工艺制程的升级对功耗的降低更加立竿见影，这也是近年来工艺制程升级迭代升级加快的重要推动力。

　　英特尔、三星和台积电三巨头处于芯片制造领域的第一方阵。三星的14nm FinFET（Fin Field-Effect Transistor ，鳍式场效晶体管）工艺已经量产出货（三星Exynos 7420芯片），台积电16nm FinFET也将规模量产；苹果最新的A9处理将分别采用这两家最先进的工艺制程。

　　同时，半导体制程从14nm/16nm开始进入3D时代，相比较之前的2D晶体管，3D FinFET具有低功耗、面积小的优点。

　　（3）射频低功耗方案

　　在降低功耗层面，智能手机射频芯片不如主芯片受关注，但降低功耗也一直是主流趋势。

　　4G射频面临的核心挑战是解决服务需求和网络容量爆炸式增长所需的更多蜂窝频段（目前全球频段总数已达到40个）。多家公司推出成套的射频解决方案，包括集成模块、多模多频器件、包络功率追踪等，高通公司的RF360解决方案［2］是其中的代表。在功率放大器PA中集成天线开关、支持各种模式和频段（从 GSM之后的所有主要蜂窝制式和目前3GPP协议中的全部频段）的组合，支持全球漫游。包络功率追踪器（ET）根据信号的瞬态需求来调整功率放大器（PA）电源，是传统平均功率追踪器（APT）的升级，APT根据功率水平分组而不是瞬时信号需求来调整功率放大器的供电量。包络功率追踪器与终端调制解调器交互工作，调整传输功率以满足被传输内容的瞬时需求，而不是在恒定功率下的长时间间隔后调整，功耗降低最高达20％，发热降低近30％（基于高通公司的测试和分析）。这延长了电池续航时间，减少了智能手机超薄机身内部的发热。

　　（4）智能芯片软硬一体化优化

　　随着芯片硬件设计和工艺制程的提升，智能芯片平台应运而生。智能芯片平台是硬件与软件一体化方案，将人工智能、卷积神经网络、大数据等技术应用到手机芯片平台，将进一步降低芯片功耗。高通最新的骁龙820（明年初上市）即是这样的有益尝试。

　　2.2 显示屏

　　智能手机进入大屏时代（主流尺寸5寸、5.5寸），屏幕成为手机耗电比例最大的模块。大屏、PPI不断升级带来的后果是功耗的显著提升。

　　改进屏幕材质是降低屏幕功耗的有效解决方案之一。OLED有机电激发光二极管自发光、无需背光源，可有效降低功耗。IGZO将以往难度极高的铟、镓、锌与氧结晶化，实现了全新的原子排列的结晶构造，基于这一独特的细致的排列方式，IGZO显示屏具备极强的稳定性。同时，IGZO具有极高的电子迁移率，迁移率越高，电阻率越小，通过相同电流时，功耗也就越小。

　　对于传统的LCD显示屏，采用增加面板开口率、降低驱动电压、提高背照灯光源—白色LED的发光效率，以及提高光学材料性能等方式，通过对输入影像信号及周围亮度的伽玛校正以及画面亮度控制等图像处理，来降低显示面板功耗。

　　另外，可通过软件降低屏幕分辨率、灰度显示等方式来降低功耗，增加续航能力。

　　2.3 电池

　　解决续航问题的根本手段是开源方式，即增加电池容量及发展新型高效电池技术。但近年来电池技术尚无突破性进展，太阳能电池、镁离子电池、超级电容等电池新材的商用进展并不乐观，对比而言，锂离子电池的改进技术仍是业界的重心和最为现实的解决方案。

　　当下电池的主流是聚合物锂电池芯，以石墨作为负极，石墨碳负极电池的能量密度，达到600WH/L差不多已到极限，而引入硅负极材料来提升电池能量密度已是业界公认的方向之一，即以硅碳代替石墨，将石墨负极电池变成硅基负极电池。

　　目前一般手机厂商的电池能量密度大都在560~580WH/L，热门机型中，小米note电池容量为3000mAh，能量密度为676.5Wh/L；华为荣耀6 Plus为3600mAh，电池能量密度为595Wh/L。据悉，业界多家手机厂家在新的手机方案中测试650~720WH/L的高密度硅负极电池，如采用纯硅负极材料能量密度有望达到900WH/L。2015年，基于硅负极材料的700WH/L高能量密度电池产品将实现规模商用。特别需要关注的是，除了能量密度外，安全、膨胀、循环等性能指标也是高能量密度电池要重点解决的问题。

　　另外，4.35V高压电池技术、硅碳阳极技术、纳米陶瓷涂层覆膜技术等也是锂离子电池改进的方向。

　　2.4 快速充电

　　发展节电技术的同时，快速充电正成为一项可快速大规模应用和普及的折中方案。从原理上来看，快充的实现主要通过增加电压或电流或两者同时增加来实现。

　　主流的芯片供应商高通和联发科均已发布快充解决方案，并集成到芯片平台中。在芯片厂商解决方案中，高通的Quick Charge快充方案［3］生态系统最为成熟，已经发展到QuickCharge 2.0，有两种规格：Class A（5/9/12V）与ClassB（5/9/12/20V）;芯片方面，高通全系列芯片支持。联发科Pump Express［4］允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压，由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器，充电器依照这个指令调整输出电压，电压逐渐增加至5V 达到最大充电电流。

　　快充产业链包括协议、适配器（充电IC）、电源管理芯片、芯片平台等。除前述的高通、联发科外，还有TI的Max Charge、Fairchild的ACCP（Adaptive Charger Communication Protocol）等快充协议及方案。快充协议之间目前还不互通，主流的电源IC厂商产品均开始支持多种快充协议。

　　终端厂商中，OPPO的VOOC闪充［5］最具代表性，现已发展到2.0版。VOOC采用降低电压增大电流的充电方式（5V/4.5A），将充电控制电路从手机侧移到适配器侧，同时需要一系列专门定制的配件，包括适配器（新增充电控制电路+智能MCU控制）、电池（定制8触点）、数据线、电路、接口（7pin）等。

　　从成本角度看，相比普通的充电方案，快充在充电IC、保护电路、电池等方面需要增加成本。VOOC专属方案成本最高，高通Quick Charge方案次之，联发科Pump Express则相对比较经济。

　　在快速充电体验方面，终端厂商目前的期望基本上是10分钟完成30%充电，30分钟完成70%充电。

　　2.5 软硬一体节电技术方案

　　对智能手机而言，单个维度或器件的节电远远不够，基于网络、用户使用行为等方面的软硬一体节电方案是产业链的重点研究对象。业内正在进行优化方向包括操作系统层面的资源调度优化、情景感知节电、基站黑名单管理优化等。

　　操作系统层面的调度优化主要是基于APP应用行为优化调度Android系统资源，基于应用层的性能需求进行CPU处理能力（大小核）的智能调度、动态电源调度管理以及软硬一体调度优化等。

　　基于情景感知的节电方案能够有效识别用户走路、跑步、驾驶、睡觉等状态，以便提供针对性省电措施。垂直整合软件系统，通过调频管理、LCD背光管理、协议优化、后台应用管理、运行进程管控、外设开关管理等，有效降低整机功耗。根据用户所处情景，配合动态调频、动态降帧、进程冷却等，可降低整机功耗。情景感知技术需要基于大数据积累进行迭代优化。

　　基站黑名单管理优化能够自动侦测网络环境，减少乒乓切换，降低待机功耗。网络信号的小范围波动容易引发手机乒乓选网，大量消耗手机电量。通过大量的外场数据为基础进行建模，建立和优化干扰小区的识别算法，形成黑名单功耗优化技术。

　　3 可穿戴及IoT终端续航解决方案分析

　　如果说智能手机的续航问题影响的仅仅是用户体验，对于手环、智能手表、智能眼镜等新兴的可穿戴及IoT（Internet of things）终端而言，续航问题则是生存问题，在一定程度上决定了该品类的市场前景和空间。

　　可穿戴及IoT终端最大的瓶颈是受限于设备尺寸与电池材料的限制，电池容量难以支撑用户的体验需求。智能手机需要处理比较复杂多媒体运算，而可穿戴及IoT终端的功能则一般相对简单，业界从一开始就采用低功耗技术。

　　3.1 芯片及传感器低功耗方案

　　由于可穿戴及IoT终端所需的计算处理能力相对较低，芯片方案多采用MCU形式，少数如智能手表、智能眼镜则采用低端的手机芯片处理器。

　　不管是ARM架构的Cortex M系列（针对不同的应用场景，ARM Cortex M系列又细分为M0-M7）还是MIPS架构的MCU，设计之初面向的就是低功耗领域，芯片单核、主频较低，多数仅有几十兆赫兹，与动辄8核，上G赫兹的手机芯片相比，天生功耗较低。

　　可穿戴及IoT终端中采用的传感器，例如加速计、陀螺仪及其它专业传感器等本身的功耗较低，主要是与MCU一起进行整体低功耗方案设计，器件本身并未为此进行特别处理

　　3.2 无线连接针对性优化设计

　　车联网、野外监测等终端需要进行无线通信，但速率、频次等要求较低，手机上采用的无线模块如果用在这类终端，则会出现功耗、性能过剩、成本高等问题。面向物联网终端，3GPP组织在R12中发布了Cat.0［6］。为了降低设备复杂性和减小设备成本，Cat.0定义了一系列的简化方案，主要包括：采用半双工FDD模式（Half duplex FDD）；减小设备接收带宽到1.4MHz，当然，也可以扩到20MHz；单接收通路，取消RX分集双通路；保持低速数据速率。简化方案不仅降低了速率需求，处理器计算能力和存储能力也相对降低。在R13版本还会有进一步的优化，比如取消发射分集，不再支持MIMO，支持小于1.4MHz更低的带宽，支持更低的数据速率等等。

　　为了省电，3GPP R12采用了PSM（Power Saving Mode，省电模式）方案。如果设备支持PSM，在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，PSM向网络申请一个激活定时器值，当设备从连接状态转移到空闲状态后，该定时器开始运行。当定时器终止时，设备进入省电模式，此时设备不再接收寻呼消息。看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。设备将一直保持这种省电模式，直到设备需要主动向网络发送信息（比如周期性TAU，发送上行数据等）。

　　3.3 低功耗整体方案

　　可穿戴及IoT设备产品的解决方案主要通过低功耗蓝牙、低功耗Wi-Fi、低功耗GPS、低功耗的3G/4G模块与MCU（或其它低功耗主控芯片）、传感器等硬件整合设计的成套方案。针对不同的应用场景，主要芯片方案厂商提供BLE+MCU、Wi-Fi+MCU、GPS+MCU、Zigbee+MCU等低功耗解决方案。在这些无线连接技术中，都要“死磕”功耗这一难题。

　　3.4 算法优化

　　可穿戴及IoT终端在硬件低功耗的同时，软件算法也是降低功耗、优化续航的重要手段。MCU动态休眠算法、计步算法优化、数据交互算法优化等都可以优化终端功耗。

　　4 智能终端续航体验提升未来可期

　　如前文所述，智能终端续航体验瓶颈的根本原因是手机电池需求过快增长与电池续航技术更新缓慢之间的矛盾日益尖锐。在电池需求层面，随着智能手机硬件升级进入平稳期，用户的耗电需求提升增长趋缓。未来续航体验的提升关键看续航技术的发展，除了上述所讲续航新技术革新外，柔性电池与固态薄膜锂电池的不断成熟，将为智能终端形态的演进与续航体验的提升带来福音。整体上，随着智能终端续航新技术方案的普及与新材料的应用，智能终端续航体验的提升前景可期。