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行動裝置電源管理新挑戰
擁有高效能 電力不扣分

【作者: 陳韋哲】   2014年02月17日 星期一

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隨著行動裝置日趨蓬勃發展,各家大廠無不使出看家本領,不僅競相在硬體規格上奮力比拼,連在功能應用上也端出極具創新的UI,打算籠絡消費者挑剔的心。不過,伴隨智慧型手機規格不斷拉高,從最早的單核心晶片一路演進到雙核心、四核心、甚至是最新八核心。


為了要滿足使用者對於行動運算、通訊與多媒體娛樂等多元應用,以及提供良好的使用者操作體驗需求的同時,卻讓高功耗以及散熱等問題逐一浮現,使得行動裝置對電源的要求也更加複雜化。


根據HIS iSuppli市場研究調查機構報告指出,手機的總出貨量從2011年的14億支,到了2014年將可望大幅成長至18億支;其中又以搭載Android行動作業系統的中低階智慧手機為最大宗。


全球電源管理IC受惠於終端應用擴大、且對節能要求更為嚴格,估計今年市場規模將成長7.6%、達到322億美元,並於2016年一路成長至387億美元。顯示消費者不只對於中低階智慧手機的功能與需求期待也越來越高,同時也期待行動裝置在電池續航力方面,能夠有更好的效能表現。


行動裝置功能強大 電源續航力受考驗


特別是在行動裝置(智慧手機與平板電腦)銷售熱潮持續不減的情況下,不管是功能以及相關應用Apps,都有逐步朝向PC化靠攏的趨勢。從手機的操作習慣來看,從最基本拍照與音樂播放功能,直至最近熱門的4K影片播放以及講究3D聲光效果的手遊(手機遊戲)等的操作模式,使用者對於行動裝置的效能需求可說是越來越高。


高通產品管理總監Abid Hussain表示,隨著智慧手機、平板電腦等行動裝置效能越來越強大,高畫質顯示螢幕、多核心處理器、高速上網等功能加速電池消耗時間,現今的電池消耗比起六、七年前多出三倍之多。


除此之外,各國電信營運商陸續佈建LTE行動高速網路以及無線區域網路802.11ac的崛起,使用者在行動裝置上下載與傳送大型檔案的需求逐漸升溫,相關無線射頻模組陸續被整合至行動裝置,對於行動裝置電量更是一大考驗。


戴樂格亞洲區總經理Christophe Chene對此表示,隨著4G日益普及,消費者使用智慧型手機與平板電腦的方式也正慢慢改變,一方面會增加使用這些產品的時間,一方面會讓產品執行更多功率密集的動作,LTE會提供相當快的資料下載速度,所以行動裝置的電力消耗也同樣快速。



圖一 : 行動裝置效能越來越強大,高畫質顯示螢幕、多核心處理器、高速上網等功能加速電池消耗時間。(圖/gizmodo.uol.com.br)
圖一 : 行動裝置效能越來越強大,高畫質顯示螢幕、多核心處理器、高速上網等功能加速電池消耗時間。(圖/gizmodo.uol.com.br)


因此,在行動裝置設備軟硬體同步追求多工應用及高效能處理的同時,功耗過高的問題也隨之形影不離。為了解決這些高功耗挑戰,行動裝置設備開發設計人員除了選擇整合多功能的晶片組將可限度的電量最大化以外,應用高整合度的電源管理IC(PMIC)亦是相當熱門的解決方案。


透過PMIC不僅能讓設計簡單化,以及有效減少控制電源所需使用的資源量,更能夠提昇電池續航力與滿足消費者對於行動裝置設備輕薄外觀的設計要求。舉例來說,以往常會使用到低壓差線性穩壓器(LDO)、直流轉換器(DC/DC)之類的電源管理晶片,但為了方便產品開發設計人員簡化設計與進一步縮小產品尺寸,低壓差線性穩壓器與直流轉換器已被整合到行動裝置的PMIC。


各大電源管理IC廠商們也開始開發針對智慧手機與平板電腦能夠相互通用的電源管理模組。因應行動運算需求,電源晶片商將以更先進製程,降低晶片輸出電壓及占位空間,並導入數位控制機制,減輕系統供電誤差及待機功耗;同時也擴大與處理器業者合作,開發新一代低電壓處理器供電技術和動態電壓管理方案,以優化處理器電源效率。


至於鋰電池廠則紛紛投入研發高效率材料與薄型封裝方案,期延長各種行動運算裝置的續航力。


晶片業者助攻 續航力加倍


除了有電源管理IC廠商針對PMIC不斷進化與改善之外,行動處理器晶片業者在降低行動裝置功耗部分,同樣不遺餘力。以Nvidia Tegra 4行動處理器晶片為例,不僅具備一個第二代節電核心,擁有更高的能源效率,適合低功耗的標準使用環境之外,其PRISM 2 Display技術能夠在執行高階視覺效果的同時,減少背光功耗。


Tegra 4在功率消耗方面與前一代Tegra 3相比,減少約45%,進一步提供行動裝置長達14小時的高畫質視訊播放時間。


而聯發科近期所發表的真8核心行動處理器MT6592,同樣也在低功耗方面的下足了真功夫。聯發科技無線通訊事業部總經理朱尚祖表示,面對移動終端高性能及低功耗兩難的挑戰,MT6592運用演算法優化各個核心的工作負載,當運算需求、多工執行時最多可以同時以8個核心運算,運算需求低時關閉閒置的核心,以達到節能的目的,提供使用者更長的電池續航力。


Quick Charge充電快狠準


至於在高通方面,在去年(2013年)的國際CES會展中推出Quick Charge 2.0協議,讓行動裝置充電速度比起傳統USB電技術快75%。Quick Charge 2.0能夠相容於1.0,比起1.0的10瓦充電功率,2.0將功率提升至60瓦。


Abid Hussain表示,隨著行動裝置設備所採用的電池陸續朝向高容量的電池邁進,為了提升電池效能,電源供應商必須設計出容量更大、更持久的電池來因應,然而過長的充電時間卻因此成為另一項難題。


為此,高通在Quick Charge 2.0智慧型手機充電器參考設計,相較於傳統USB充電技術,可讓行動裝置設備(平板電腦或智慧手機)的充電速度加快高達75%。簡言之,讓原本需耗時7小時才能充飽電量的平板電腦,大幅縮短在3個小時內便可將電量充滿。


為了不讓行動裝置專享Quick Charge 2.0充電技術,其他電子設備同樣也能受惠快速充電的便利性,Abid Hussain表示,Quick Charge 2.0充電技術並不會限於搭載高通處理器的設備,升級後的快速充電作為一個獨立電路依然可用,甚至可以用在60瓦的筆記型電腦上。



圖二 :  Quick Charge 2.0充電技術大幅加快充電時間。(圖/www.epidesg.com)
圖二 : Quick Charge 2.0充電技術大幅加快充電時間。(圖/www.epidesg.com)

包爾英特(Power Integrations)執行長Balu Balakrishnan也表示,Qualcomm的Quick Charge 2.0技術對行動裝置使用者來說,的確是一個重大進步。由於裝置越來越耗電,OEM就設計出更大、更持久的電池來應對這一情況。


Balu Balakrishnan不諱言地表示,標準壁式充電器的功率傳輸能力有限,導致充電時間延長,進而增加使用者的停機時間。Qualcomm的Quick Charge方案有助於解決充電瓶頸。


截至目前,高通已與其他電源管理IC合作夥伴(快捷Fairchild、戴樂格Dialog、包爾英特Power Integrations、恩智浦NXP)開始致力於擴大Quick Charge協議的生態體系,將Quick Charge 2.0協議打造成為micro-USB AC-DC牆插式充電器的新興標準。Abid Hussain表示,預計將在2014年第一或是第二季,有機會看到搭載Quick Charge 2.0的設備或是採用Quick Charge 2.0協議的牆插式充電產品陸續上市。


結論


隨著行動裝置陸續朝向64位元、多核化與LTE高速網路等功能前進,無疑是對行動裝置電源的壽命以及續航力帶來莫大的考驗。電池晶片IC與行動處理器晶片相關業者持續在行動裝置有限的電力發展創新電源管理技術解決方案,將可望解決行動裝置電池補充以及電力維持的低水位警報。


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