電池沒電，和經常須要充電，哪一種較惱人？現今手機在世界各地迅速普及，一週七天，一天廿四小時，隨時保持連線狀態。消費者似乎沒完地進行語音通話、收發電子郵件、發送簡訊和上網，永不饜足。可是這些手機功能都會消耗電池電量，眨眼功夫，電池就只剩下一格電量。
如何才能延長手機的使用時間呢？理論上只要使用較大的電池就能解決問題，但是用戶總希望手機越輕巧、越纖薄越好，所以這個選擇用戶不能接受。 設計工程師不斷研發提高功率管理性能的方法，並把焦點集中在對功耗影響最大的三個部分。在手機中，除基頻處理器和射頻收發器之外，最消耗電量的三個部分是功率放大器(PA)、顯示螢幕和應用/圖像處理器，因為人們往往同時通話和上網，顯示螢幕總是處於開啟狀態；此外，功率放大器必須一直運作，以便向基地台發射語音通話和資料；最後，觀看影片或進行其他應用，應用處理器也必須保持運行。
DC-DC轉換器和3G PA協同工作延長通話時間
3G網路的功率放大器接收不良時功耗最大，因為它需要更大的輸出功率才能連接基地台，並保持線性度要求，以確保3G訊號的保真度。3G的功率放大器耗電量與輸出功率有關，輸出功率越大，電池中的電流消耗越多。發射訊號則需要更大的輸出功率，消耗更多的電流。
目前有兩種可降低功率放大器耗電量的新技術：直流對直流(DC-DC)轉換器和包絡跟蹤(Envelope Tracking)。DC-DC轉換器在智慧型手機的運用日益廣泛，它把3G功率放大器的電源電壓降至既能夠滿足所需輸出功率級要求，同時又能降低耗電量的級別。這種解決方案可帶來雙重好處–第一是延長通話和使用時間，第二則是減少散熱。例如FAN5902是針對3G功率放大器而設計的一款附有旁路模式之800毫安培、6MHz降壓DC-DC轉換器，可降低功耗，延長連線時間(圖1、表1、圖2)。
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| 圖1 在採用WCDMA訊號調變和1000mAh鋰離子電池的條件下，使用有FAN5902和不使用FAN5902的3G PA的通話時間分析。功率分布函數是DG09，參見GSMA的「電池壽命測量技術，v4.7」白皮書。 |
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| 表1 總結獨立式3G PA和採用FAN5902的3G PA之間，不同條件下性能的比較。 |
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| 圖2 POUT=28dBm時的3G PA熱量分析: (a)帶FAN5902，VPA=2.97V；(b)只有PA，VBAT=3.70V；(c) 只有 PA，電池充電期間VBAT=4.20V |
這種內建旁路模式的DC-DC轉換器與基頻處理器和3G功率放大器協同工作，可以降低耗電量。基頻處理器根據它從基地台接收的資訊設定功率放大器的輸出功率級，再轉換為轉換器的電源電壓，以輸出給功率放大器。藉著動態調節功率放大器的電源電壓和電流，DC-DC轉換器能夠延長至少15%的手機通話和資料使用時間。
調節LED電流ALD/DBC提升視覺體驗
顯示螢幕是功率放大器之後的第二大主要耗電 元件，使用者無論是查詢或搜尋聯絡資訊、上網瀏覽、閱讀電子郵件、還是觀賞行動電視或YouTube影片，顯示螢幕總是處於開啟狀態。
薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)是目前主要的顯示技術，而它需要白光發光二極體(LED)來提供背光。這種趨勢主要見於尺寸較大的LCD顯示螢幕，故意味著需要較多的白光LED來為顯示螢幕提供有效的背光，也就意味著需要為LED和顯示螢幕本身提供更大的電流。
在高階手機和智慧型手機中，同時採用動態背光控制(Dynamic Backlight Control, DBC)和自動調光功能(Auto Luminous Control, ALC)不僅可以使耗電量盡量減小，還能提升使用者的視覺體驗。
ALC採用一個環境光感測器(Ambient Light Sensor)檢測周圍環境的光量，並根據程式在LED驅動器或應用處理器中的演算法來設定LED電流。因此，LED電流會根據照明條件來設定。當四周環境很暗時，LED電流被設定為低，陽光直射時設定為最大。
另一方面，DBC技術可根據顯示螢幕上的圖像或影片內容調節LED電流，若影片中的場景內容比較昏暗，LED電流也較低；若場景較明亮，則反之。DBC根據圖像處理器或LCD驅動器發出的脈衝寬度調變(PWM)訊號對電流進行程式，並隨顯示的影片內容變化不斷改變。
圖3(a)的螢幕顯示ALC和DBC的運作情形和相應的LED電流。雖不能充分說明，但由圖3(a)左下方「EXT PWM」的「藍色顯示棒」仍可看出DBC的作用，其右邊的靜態PWM級則隨著圖像或影片內容升高或降低。圖3(b)為評測ALC和DBC的工具套件。
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| 圖3 (a)為沒有採ALC和DBC的螢幕效能；(b)為用來評測的工具套件 |
具備I2C介面的180毫安培電荷泵LED驅動器，可經由配置來提供ALC和DBC功能。環境光感測器與應用處理器或基頻處理器連接，接收輸入並根據外部照明條件的演算法來確定適合的LED電流水準。這個資料經由I2C介面發送給LED驅動器，再根據資料來設定LED電流。
LED驅動器的PWM/EN接腳針對PWM工作而編程，且與LCD驅動器連接，後者根據顯示螢幕上的圖像或影片內容，把PWM訊號發送給LED驅動器。圖4所示為同時採用具備ALC和DBC功能的LED驅動器系統模組示意圖。手機顯示螢幕採用ALC和DBC，有助於省下多達50%的功耗。
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| 圖4 具有ALC和DBC功能的LED驅動器系統模組示意圖 |
DVS可調降核心電壓降低耗電
第三大主要功耗來源是應用或圖像處理器，如果顯示螢幕開啟，該晶片組將全面運行。不過，它並非一直處於全功率運行狀態。例如，當晶片組以較低功率水平運行時，可採用動態電壓調節技術(DVS)。這是一種非常適合於手機及其他可攜式電子產品的解決方案，因為其電源電壓可被調降至更低的核心電壓，並可讓晶片組在較低時脈頻率下工作，從而有助於降低耗電量。這一點可由下列的方程式來說明：
PαfV2
這裡，功率(P)與時脈頻率(f)和核心電壓(V)的平方之乘積成正比。因此，處理器的時脈頻率越快，功耗越大。而隨著核心電壓減少，功耗會以平方的速度降低。 應用處理器可以採用附帶I2C介面的6MHz、800mA/1A步降式DC-DC轉換器來供電，以達到最佳省能效果。I2C介面可用來以12.5毫伏特的步長在0.75伏特到1.975伏特的範圍內對電壓進行動態編程，以滿足晶片組的處理能力要求。當使用者觀賞網上的影片時，該轉換器能夠為應用處理器提供1.2伏特的核心電壓，以獲得最大的處理能力。一旦影片短片結束，電壓就會降至0.8伏特，進入較低電頻工作狀態。
目前有多種簡單或複雜的技術，可以提高手機的整體功率管理性能，尤其是智慧型手機。藉手機整合分別針對功率放大器、顯示螢幕和處理器核心的一種或所有三種功率管理解決方案，可大幅節省能源，延長手機工作時間。這些設計都是以用戶使用經驗和需求出發，因為用戶真正關心的是不要在關鍵時刻發生手機沒電的尷尬局面，以及不必頻繁地為手機充電。
(本文作者為快捷技術行銷經理)
