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做好散熱模擬 智慧手機電力輕鬆省

2012-06-25
如果詢問一群人對於他們手機的看法,雖然有些人會對酷炫的新功能與應用程式發表意見,但也一定有人會抱怨智慧型手機電池的使用時間。
手機應用程式是導致用電需求大於正常使用的主要緣故,因為手機同時執行多種高耗電的功能,包括高速圖形處理及行動寬頻連線,另外還有用於管理功能(例如顯示所在位置)的其他射頻(RF)連線等等。

隨著手機與使用者的期待持續進化,將為行動通訊產業帶來極大的衝擊。無論是利用平板電腦或智慧型手機透過雲端執行工作的行動商務人士、狂熱的遊戲玩家,抑或是介於兩者之間的使用者,都有兩個共同點。第一,他們期望所使用的技術隨時隨地都能執行;第二,都對電池的問題感到苦惱。

雖然還是能夠找到許多短期的變通方案,例如有些iPhone保護殼本身也是電池,可延長裝置的電池使用時間,但此種外殼裝置形體龐大,犧牲了便利性。雖然此為可行之道,但並未解決根本的問題:此類裝置需要大量的電力,也需要經常充電,在大多數情況下,對使用者而言相當不方便。

散熱降溫 延長電池壽命

有多項因素會影響耗電量,進而影響電池裝置的使用時間。以智慧型手機等小型行動裝置而言,散熱管理是關鍵的挑戰。有效的散熱管理有助於延長電池使用時間,並阻止多餘的熱量流出。有多種方法能達到降溫的目的,例如調整機殼設計等等。

降溫不僅可節省裝置的電力,還可延長裝置本身的壽命。行動裝置通常僅具有少數的可動零件,因此元件的磨耗並不成問題,真正值得注意的是高溫導致的損耗與損害。過熱時,裝置會減慢執行速度以避免溫度過高,不僅影響短期效能,同時也可能影響內部元件,導致降低長期的效能表現。

功能要求日多 耗電問題加劇

由於目前趨勢需要更高的資料傳輸速率,耗電量問題變得更為複雜。基本上,需要以高速處理的資料越多,耗電量問題更趨嚴重。從智慧型手機的特性面向思考:這些裝置不只是手機,也必須能播放音樂、影片檔及串流播放影片,也經常作為儲存照片的裝置。這些作業皆需要高品質的影像與聲音、記憶體存取及高速寬頻網路連線,因此都需要較大的電力。

此外,使用者經常於背景執行電子郵件及Facebook等應用程式,因此資料傳輸量必須維持在高峰,於是處理器維持在較高的使用頻率,而這一切又將導致發熱,導致惡性循環。同時,使用者仍不斷要求更多重的作業性能及更好的圖形品質,也會造成過熱的問題,有時候會導致裝置意外關機。

為解決這些裝置的問題,底層軟體已經大幅改良,硬體修改也達到很不錯的效果。設計結構的工程師能做的第一件事就是散熱模擬,讓製造商可評估各個元件的溫度限制與發熱量,並且在全球行動通訊系統(GSM)、第三代行動通訊(3G)及長程演進計畫(LTE)環境中測試裝置。理想情況下,使用者應該不會察覺這些限制與任何警告系統,除非使用者遭遇實際的問題,否則裝置應該不會有任何異狀。

散熱軟體管理可用於監控電池充電及溫度是否符合安全規範,這些功能皆會經過校正,不僅僅為安全因素,同時也為效能,因此也會設定溫度,避免造成射頻資料流失或降低中央處理器(CPU)的效能。

另外還有以硬體為主的散熱管理方式可供選擇。例如印刷電路板為智慧型手機、通用序列匯流排(USB)隨身碟或miniPCIe卡的主要發熱元件,因此在配置電路時必須考量散熱元件。機械設計規則可協助避免元件下方出現熱點,在筆記型電腦等較大型的裝置上,氣流與散熱器皆可確保最高的散熱效能。

透過正確的設計,對於降低耗電量的效果極佳,例如瑞薩行動通訊(Renesas Mobile)開發出智慧型手機用的通訊處理器,以單晶片結合應用程式處理器及Cat-4三模LTE數據機,應用許多技術可降低耗電量,包括更高階層的整合以及移至先進製程,如28奈米(nm)製程。製程越精細,裝置使用時的動態耗電量就越低。此平台採用先進的電源領域分割技術,只會啟動特定使用情形所需要的零件的電源,另外採用精密的時鐘架構以降低耗電等級。此外,也混合採用自主的低階硬體控制,可決定應處於何種電源狀態。

從根本著手 問題可減半

消費性裝置的體積越小,內部空間就越少,因此越難以將溫度導向至有益的位置或降低造成的損害。此為特殊應用積體電路(ASIC)與數位基頻設計可發揮作用之處,因為它們能關閉部分電源區塊以減少漏電。晶片中的時鐘控制可影響數位基頻的耗電量,而且若時鐘設有門控電路,當裝置進入閒置模式時,將可降低整體耗電量。晶片內部若能使用較低且可自我調整的頻率與電壓,也將有所助益,因為較高的頻率與電壓會耗用較多的電力(圖1)。

圖1 時鐘門控、頻率與電源門控對於整體耗電量的影響

使用最佳化的矽製程節點,並結合低切電池技術以優化耗電量,也是理想的做法。例如,不同矽製程的漏電流有很大的差異,會影響待機電流,進而影響每次充電後的電池使用時間。選擇製程時,必須衡量如何取得最大效能,同時又能降低漏電以獲得最長待機時間。在整體系統設計中也須考量預期的製程邊界(Process Corners)。

未來,消費者對於智慧型手機使用,必定追求更多重的作業性能及更好的行動體驗,無論是使用行動應用程式、串流播放影片或其他仍待開發的應用。下一代的裝置將面臨更嚴苛的電源考量,而其中的矛盾將使裝置的設計在可預見的未來持續進化。

(本文作者為瑞薩通訊策略行銷與溝通副總裁)

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