多媒體應用使功耗大增以電源管理與供電來源解決問題

2004-09-23
雖然多媒體手機已在2004年逐漸興起,但許多服務仍受限手機電源問題而無法取得廣泛的應用,例如用來收看電視節目可能約兩個小時就要更換電池...
雖然多媒體手機已在2004年逐漸興起,但許多服務仍受限手機電源問題而無法取得廣泛的應用,例如用來收看電視節目可能約兩個小時就要更換電池。  

因此手機廠商在產品設計初期,已漸漸加重電源管理議題以提高手機功能的擴充性,而電源管理IC廠商或是電池廠商,也開始提供必要的技術支援服務,使得電能不再是多媒體手機發展上的瓶頸。  

日本的手機市場自2001年掀起令全球矚目的i-mode服務後,2003年後3G服務快速成長成為手機發展的另一項里程碑。目前日本的手機附加功能包羅萬象,除了收發e-mail、上網瀏覽外,收聽MP3、撥放多媒體短片、GPS定位、加裝TV tuner以收看電視節目等愈趨普及。以接收電視訊號為例,目前日韓業者已經推出接收類比電視訊號的手機及相關服務,2003年NEC便已將一個類比電視的tuner整合到手機中,Toshiba、Sharp、Sanyo也在新款手機中提供電視瀏覽功能。日本方面更計畫在2005年推出數位電視手機,包括主要電視台、手機製造商、行動通訊業者都已相繼投入,2004年手機上的多媒體應用浪潮可說已正式展開。  

用戶實際使用行為顯示電源為最大瓶頸  

不過,雖然日本市場上隨手可見多媒體手機,但部分功能卻不意味廣受一般民眾使用,以NTT DoCoMo和KDDI與手機製造廠商合作開發出的數位電視手機而言,雖然業者希望手機能在接收數位電視節目的同時,下載該節目的相關資料,同時未來這些功能將陸續整合至目前銷售的3G手機中,但在電力消耗的設定上,手機的電池僅能支援大約2小時的電視接收。同樣的,在無線藍芽耳機的應用上,目前使用藍芽做語音傳輸時,持續通話時間將僅剩1/3,而若使用WLAN功能,持續使用時間更將剩不到一小時,這使得目前許多手機上的進階服務僅能提供消費者參考用,實際使用行為則趨於保守。  

所以已有愈來愈多致力於行動通訊領域的廠商,開始體會電能在手持式設備的重要性。以電池市場市佔率來看,1990年日本開發出Rocking Chair鋰離子電池後,一直到2000年日本仍然佔有全世界95%的市場,其中最大的就是Sanyo,至2002年則微幅跌落至90%的世界佔有率。不過至2003年大幅度的跌落至70%的世界佔有率,其中主要原因在於韓國和中國在國家政策和手機產業上下游的有效整合下,快速堀起。此外,手機OBM大廠加速投入電池驗證能力的建立,以強化對電池品質的掌控能力也反應出電源的重要性。  

高分子鋰電池成為手持式設備電源主流  

電池方面,數位相機、PDA及手機等手持式設備用電池由第一代的氫酸電池、第二代的鎳氫電池、第三代的液態鋰電池,目前進展到第四代的高分子鋰電池,正加速朝第五代的燃料電池演進。手持式設備與其他以電池作為主要電源的產品,除了有嚴格的尺寸與成本壓力外,手持式產品還有嚴重的溫度控制問題,它們內部不像 PC,不能裝散熱風扇,也不能忍受太高的機殼溫度,這些限制也使得電池的進程上較為緩慢。  

因此目前市面上仍是以液態鋰電池較為普及,業者除了不斷增加能量密度外,體型的薄化也是發展重心之一。但是因液態鋰電池受到需要外殼包裹電解液,厚度小到 0.8mm已很難再小了,而且形狀亦受限,所以高分子鋰電池的進展腳步正在加速中。鋰高分子電池與一般鋰電池原理雷同,要構成包括有正極、負極與電解質,高分子電池一般係指這三要素中至少一項使用高分子作為主要材料。由於使用高分子取代電池中的電解液後,不必再有為了封閉液狀電解液的外殼,因而使得電池有更為薄化及可彎曲的優點,而目前在成本議題上隨著後進廠商的持續投入也在快速下降中,預料高分子鋰電池將成為手持式設備電源主流。  

手持式設備系統端電源管理成為勝敗關鍵  

根據手機業者說法,手持式設備的待機與連續使用時間長短,除了電池外,整體電源管理能力是真正的核心因素。然而手持式產品因其使用方便的特性,在電源管理的要求上比其他插電式電子產品更為嚴苛。尤其是手持式設備零件尺寸上的限制,也使得電源難以達到合適的效率,而更小的電池更帶來嚴格的電源管理需求。一般說來,手持式產品在電源管理的要求不外乎低雜訊、小體積、低耗電等,而要達到這些標準,除了選用高品質IC外,最困難的還是落在類比線路的設計上,進而是整體電源管理的能力。  

首先在手持式設備電源管理議題上一個重要的考量特性,即為穩壓器的工作或者靜態電流,手持式產品由於功能的設定與使用習慣,基本上大多數時間會在僅有數 mA耗電的待機狀態下運作,因此如何將電池的待機時間最佳化以便維持資料不會流失,達成讓使用者不需更換電池就變得相當重要。例如在手持式產品上,2到4 吋間的小型彩色TFT螢幕相當普遍,顯示器很可能是產品耗電的最大元兇,如何在亮度設定與功能需求上取得平衡是一門學問,例如若是一般通話情境背光模組需不需要全效啟動?  

其次,設備負載是連續式或是脈衝式?在設備關閉時是處在什麼樣的狀態,皆為考量的重點,如果負載為脈衝式,那麼在系統設定上就可能會提高電池的最低運作電壓要求,因此會降低可用的電量。此外,可以透過韌體的協助來避免系統的不同區塊間同時使用電源,造成不必要的電能損耗。此外在傳統上,電源管理IC供應商一直將關注重點放在管理功率的傳遞上,即如何為不同的負載器件分配不同的功率,但現在的課題在於必須儘量地清楚功能區塊間的優先次序,而每個運作狀態,如開關機、待機與使用中,以及在不同運作狀態下使用的時間比例必須要事先加以考量或估計,使得負載器件在不同工作負荷下,或在待機和工作狀態下不必供應同樣的功率。  

如此設計人員就可以依事先推算出電源主要消耗至何處,進而決定要把成本花費在哪個部分。所以以這個角度出發,如果一個電源只耗費整體的10%,那麼它很顯然就不應該是效率最佳化的優先考量,同時若產品大部份時間都在關機狀態,但還是會啟動低耗電電路,那麼將成本花在高負載效率上就顯得有些浪費。同時還需避免電源管理IC業者在設計此類電路時,由於參考設備商所提供的功率規格,多以最高負載要求預先設定IC的輸出功率,造成對某一功能提供高於實際需求的電量,平白浪費有限的電容量。  

最後,則是隨著多媒體應用興起,電能在手持式設備產品開發初期,已逐漸成為產品設計與定位的重要考量因素之一,連帶也使得不論電源管理IC廠商或是電池廠商,開始提供必要的技術支援服務,並與製造業者進行團隊合作,以使得產品功能設定、外型機構與軟硬體整體節能控制上三者間取得平衡點,這是未來手持式設備興起時的重要商機,也是台灣手機業者未來急需加強的研發重心。  

(本文作者目前任職於產業研究單位)  

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