智能手機(jī)省電秘訣：看如何從設(shè)計(jì)源頭來(lái)降低功耗 - 全文

　　越來(lái)越多的用戶對(duì)智能手機(jī)的“電池耐用性”感到不滿。雖然智能手機(jī)還有望進(jìn)一步高性能化，但電池容量的增大卻無(wú)法抱有太大的期待。不放過(guò)任何可能性，徹底減少耗電量的挑戰(zhàn)已經(jīng)開(kāi)始。

　　你的智能手機(jī)電池能用一天嗎？

　　智能手機(jī)已經(jīng)完全成為了手機(jī)的主角。在智能手機(jī)順利普及的同時(shí)，用戶對(duì)一個(gè)問(wèn)題的不滿也爆發(fā)了。這就是電池的電量減少得太快了，也就是常說(shuō)的“電池耐用性”非常差。智能手機(jī)用戶對(duì)電池耐用性非常不滿。

　　手機(jī)廠商也開(kāi)始有了危機(jī)感。某手機(jī)廠商的技術(shù)人員表示，“我們最初只是著眼于推出智能手機(jī)產(chǎn)品，而近一年來(lái)則是將提高電池耐用性放在了優(yōu)先位置”。手機(jī)廠商正在部件廠商的協(xié)助下，采取措施兼顧手機(jī)的高性能化和低功耗化。

　　而且，還有更大的障礙在等待著手機(jī)廠商和部件廠商。這就是估計(jì)今后智能手機(jī)的性能提高幅度將超過(guò)電池容量的增幅（圖1），因而迫切需要進(jìn)一步推進(jìn)低功耗措施。

　　圖1：電池容量與性能之間的鴻溝逐漸擴(kuò)大

　　智能手機(jī)運(yùn)行的處理今后將更加復(fù)雜，而充電電池的容量卻無(wú)望增加。必須通過(guò)減少浪費(fèi)耗電、提高處理的電力效率等措施，來(lái)降低性能提高所帶來(lái)的耗電量。智能手機(jī)的耗電量顯著增加

　　智能手機(jī)的電池耐久性之所以成為一個(gè)問(wèn)題是因?yàn)榕c傳統(tǒng)手機(jī)相比，前者的耗電量顯著增加。智能手機(jī)用戶大多采用4英寸以上的大尺寸顯示屏，以便瀏覽數(shù)據(jù)量較多、用于個(gè)人電腦的Web網(wǎng)站。而且，隨著智能手機(jī)的各項(xiàng)功能越來(lái)越便利，用戶操作的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。

　　傳統(tǒng)手機(jī)的充電電池容量在800mAh左右，由于顯示屏的大屏幕化，智能手機(jī)的電池容量已經(jīng)增至1500mAh左右。盡管如此，用戶仍感覺(jué)“電池不經(jīng)用”。即使將現(xiàn)有的電池容量增加近兩倍，也無(wú)法滿足普通智能手機(jī)用戶一天消耗的電量（圖2）。

　　圖2：智能手機(jī)的耗電量逐漸增加

　　圖中是澳大利亞研究機(jī)構(gòu)NICTA的研發(fā)小組得出的智能手機(jī)耗電量分析結(jié)果。針對(duì)谷歌的“Nexus One”，在自主設(shè)定的多種狀態(tài)下測(cè)量了平均耗電量。

　　重視這個(gè)問(wèn)題的手機(jī)廠商，開(kāi)始力推延長(zhǎng)智能手機(jī)電池耐久性的“節(jié)電”功能。比如，NEC卡西歐移動(dòng)通信公司、夏普和松下移動(dòng)通信公司都各自在智能手機(jī)中配備了被分別叫做“環(huán)保模式”、“環(huán)保技巧”以及“環(huán)保導(dǎo)航”的節(jié)電模式。

　　這些節(jié)電功能可以讓用戶簡(jiǎn)單地進(jìn)行旨在降低耗電量的設(shè)定，比如關(guān)閉無(wú)線LAN和藍(lán)牙等通信功能，或降低顯示屏亮度等。還配備了根據(jù)時(shí)間和電池剩余電量自動(dòng)改變?cè)O(shè)定的功能。

　　夏普的智能手機(jī)還配備了可減少屏幕在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)所消耗電量的“節(jié)能待機(jī)”功能（圖3）。夏普通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)本部全球營(yíng)銷中心主任兼產(chǎn)品策劃部長(zhǎng)河內(nèi)嚴(yán)表示，“在24個(gè)小時(shí)中，屏幕處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間大概有20個(gè)小時(shí)左右。減少該狀態(tài)下的后臺(tái)（Background）處理動(dòng)作，也不會(huì)影響手機(jī)的易用性”。所以，手機(jī)會(huì)在屏幕關(guān)閉時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行部分后臺(tái)處理。

　　圖3：手機(jī)廠商配備可減少無(wú)用耗電的應(yīng)用

　　夏普在2012年2月上市的“AQUOS PHONE 104SH”等機(jī)型中配備了“環(huán)保技巧設(shè)定”應(yīng)用，可輕松進(jìn)行節(jié)電設(shè)定（a）。為了減少屏幕關(guān)閉時(shí)的耗電量，還配備了可自動(dòng)停止部分后臺(tái)處理和通信的“節(jié)能待機(jī)”功能（b）。致力于部件的節(jié)能

　　手機(jī)廠商一直致力于在不讓用戶察覺(jué)到的前期下，減少各個(gè)部件的耗電量。NEC卡西歐移動(dòng)通信公司商品開(kāi)發(fā)本部第一硬件設(shè)計(jì)部高級(jí)專家并木秀夫表示，在應(yīng)用處理領(lǐng)域，“我們一直致力于如何才能更好地利用處理器和存儲(chǔ)器的節(jié)電機(jī)構(gòu)”。包括根據(jù)處理負(fù)荷改變CPU內(nèi)核的電源電壓和工作頻率的機(jī)構(gòu)，以及根據(jù)不同范圍停止向存儲(chǔ)器供電的機(jī)構(gòu)等。各大公司都在絞盡腦汁地對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以便明確何種狀態(tài)下應(yīng)該如何進(jìn)行使用。

　　顯示屏中引進(jìn)了可動(dòng)態(tài)下調(diào)背照燈亮度的技術(shù)。比如，夏普可以對(duì)影像信號(hào)進(jìn)行分析，掌握畫(huà)面的亮度和對(duì)比度趨勢(shì)，從而調(diào)整各個(gè)像素的亮度成分，同時(shí)降低背照燈的亮度?？梢栽诓唤档鸵曈X(jué)質(zhì)量的情況下，將背照燈的亮度最大降低50％。

　　對(duì)性能的要求沒(méi)有止境

　　此前一直致力于低功耗化的手機(jī)廠商和部件廠商，今后必須具備更為出色的低功耗化技術(shù)。原因就是開(kāi)篇提到的，因?yàn)槭謾C(jī)性能的提高幅度很可能會(huì)大于電池容量的增幅。

　　智能手機(jī)中使用的鋰離子充電電池的單位體積能量密度，在10年后的2022年估計(jì)也僅會(huì)提高到現(xiàn)有的1.3倍左右。而對(duì)性能的提高要求則永無(wú)止境。在新一代智能手機(jī)中，估計(jì)應(yīng)用處理將增加CPU和GPU內(nèi)核的數(shù)量、提高工作頻率，顯示方面將支持顯示屏的大屏幕化和高精細(xì)化，通信方面將支持LTE（Long Term Evolution）等新型無(wú)線通信方式（圖4）。

　　圖4：運(yùn)算、顯示和通信都會(huì)不斷發(fā)展

　　圖中是高端智能手機(jī)引進(jìn)新功能的目標(biāo)時(shí)間。CPU和GPU等運(yùn)算部分、顯示屏的像素和尺寸等顯示部分，以及移動(dòng)通信和無(wú)線LAN等通信部分，估計(jì)今后都會(huì)引進(jìn)更為出色的高功能技術(shù)。

　　是放棄提高性能？還是忍受配備又大又重電池的厚重手機(jī)？如果僅僅依靠此前開(kāi)發(fā)的低功耗化技術(shù)，那么遲早有一天會(huì)不得不面臨這個(gè)選擇。實(shí)際上手機(jī)業(yè)界已經(jīng)得出了一個(gè)測(cè)量結(jié)果：支持LTE的智能手機(jī)在LTE通信時(shí)的電池耐久性低于3G通信時(shí)（圖5）。

　　圖5：利用LTE后電池耐久性惡化

　　圖中是美國(guó)2011年下半年以后上市的主要4G（LTE或移動(dòng)WiMAX）機(jī)型以及“iPhone 4S”，在瀏覽Web時(shí)的連續(xù)使用時(shí)間。摘自美國(guó)在線媒體“AnandTech”（http://www.anandtech.com/）實(shí)施的基準(zhǔn)測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)。細(xì)小浪費(fèi)都不放過(guò)

　　手機(jī)廠商和部件廠商開(kāi)始意識(shí)到電池耐久性會(huì)在將來(lái)成為一個(gè)大問(wèn)題，從企業(yè)采取的各項(xiàng)措施中可以看出的趨勢(shì)是，業(yè)界正在從各個(gè)角度徹底削減電力的浪費(fèi)。這種削減電力的出發(fā)點(diǎn)本身并不是什么新穎的東西。不過(guò)，與此前截然不同的是細(xì)微之處也不放過(guò)。

　　比如，將某個(gè)部件引進(jìn)的低功耗化技術(shù)擴(kuò)展至智能手機(jī)內(nèi)的其他部件，或者將控制電力的部件和時(shí)間單位進(jìn)行更為細(xì)致地劃分。單看每項(xiàng)低功耗化技術(shù)的節(jié)電成效也許較小，但一項(xiàng)一項(xiàng)地積累起來(lái)，就能大幅削減功耗。

　　智能手機(jī)具有用戶購(gòu)買后可以追加應(yīng)用軟件（以下簡(jiǎn)稱應(yīng)用）的特點(diǎn)，因此今后讓?xiě)?yīng)用開(kāi)發(fā)人員注重耗電量將變得很重要。九州大學(xué)系統(tǒng)LSI研究中心副教授久住憲嗣表示，“對(duì)應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際分析后，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)部分的特定處理會(huì)徒勞消耗電力。如果應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員能夠仔細(xì)掌握自己所開(kāi)發(fā)應(yīng)用的耗電量及其詳細(xì)情況，就可以間接地為智能手機(jī)的低功耗化做出貢獻(xiàn)”注3）。

　　注3）九州大學(xué)系統(tǒng)LSI研究中心開(kāi)發(fā)出了制作智能手機(jī)耗電模型的方法。采用該模型可以根據(jù)應(yīng)用的CPU使用時(shí)間、無(wú)線通信量、存儲(chǔ)量和傳輸量等信息，推測(cè)應(yīng)用在智能手機(jī)上運(yùn)行時(shí)的耗電量。

　　低功耗化成為廠商形成差異化的因素

　　挑戰(zhàn)并徹底實(shí)現(xiàn)低耗電量，有助于強(qiáng)化手機(jī)廠商和部件廠商的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于追求低耗電量極限的部件廠商來(lái)說(shuō)，徹底降低功耗后不僅在智能手機(jī)市場(chǎng)上的業(yè)務(wù)量會(huì)越來(lái)越多，而且還能夠以此為契機(jī)涉足要求低功耗化的其他應(yīng)用領(lǐng)域。

　　在手機(jī)廠商方面，僅組裝標(biāo)準(zhǔn)部件的廠商與專注于部件易用性的廠商之間的差距，在電池耐久性這個(gè)指標(biāo)上將表現(xiàn)得越來(lái)越明顯。原因是僅憑充電電池容量和部件性能參數(shù)難以檢測(cè)的要素會(huì)產(chǎn)生很大的影響。夏普的河內(nèi)表示，“在如何利用充分部件的調(diào)整部分，整體的耗電量將會(huì)發(fā)生很大變化。能否在不犧牲性能和外觀設(shè)計(jì)的前提下，找到電池容量和耗電量的最佳平衡點(diǎn)，這會(huì)是手機(jī)廠商之間實(shí)現(xiàn)差異化的一個(gè)重要因素”。
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　　在智能手機(jī)領(lǐng)域，處理器、顯示器、RF電路無(wú)一不被要求兼顧低功耗和高性能。這些產(chǎn)品正設(shè)法通過(guò)“動(dòng)態(tài)電力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增長(zhǎng)空間有限的充電電池將開(kāi)拓新的思路。

　　未來(lái)的智能手機(jī)要求應(yīng)用處理、無(wú)線通信處理以及畫(huà)面顯示等主要功能全部實(shí)現(xiàn)高性能化?！澳壳暗闹悄苁謾C(jī)在正常使用時(shí)，應(yīng)用處理、通信處理和顯示所需耗電量大約各占了1/3”（某手機(jī)企業(yè)的技術(shù)人員）。只減小其中某一項(xiàng)的耗電量，是無(wú)法兼顧高性能和低耗電量的。因此需要在各項(xiàng)要素中徹底削減耗電量。

　　在電力的使用方法和存儲(chǔ)方法上雙管齊下

　　本篇將對(duì)執(zhí)行應(yīng)用處理等的處理器、顯示器以及執(zhí)行無(wú)線通信處理的RF電路今后的低耗電量化技術(shù)進(jìn)行分析。同時(shí)還會(huì)介紹旨在增加充電電池容量以及提高易用性的技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向。

　　處理器需要實(shí)現(xiàn)CPU和GPU的多核化并提高工作頻率，今后預(yù)計(jì)會(huì)通過(guò)半導(dǎo)體的微細(xì)化等繼續(xù)提高電力利用效率、徹底實(shí)施動(dòng)態(tài)電源切斷及電壓和頻率控制，以及推進(jìn)電路的混合化等。

　　不斷向大屏幕化和高精細(xì)化發(fā)展的顯示器，其關(guān)鍵在于提高液晶面板背照燈光的利用效率和提高有機(jī)EL面板的發(fā)光效率。另外，為支持新一代移動(dòng)通信規(guī)格而需要處理多頻帶無(wú)線信號(hào)的RF電路方面，根據(jù)發(fā)送電力的波形對(duì)電源電壓進(jìn)行微細(xì)控制的“包絡(luò)跟蹤（Envelope Tracking）”等技術(shù)備受關(guān)注。

　　鋰離子充電電池單位體積的能量密度增長(zhǎng)空間有限，目前正通過(guò)內(nèi)置電池組增加容積，以及通過(guò)快速充電功能減輕充電作業(yè)的負(fù)擔(dān)等嘗試。

　　處理器——徹底提高效率與推進(jìn)動(dòng)態(tài)控制

　　執(zhí)行應(yīng)用處理任務(wù)的處理器會(huì)瞬間消耗最大1～2W的電力。在智能手機(jī)中，處理器是對(duì)電池耐久性和發(fā)熱影響最大的部件之一。針對(duì)無(wú)線通信的收發(fā)進(jìn)行信號(hào)處理的基帶處理LSI也會(huì)消耗較大的電力。

　　處理器的負(fù)荷在日益增加。美國(guó)谷歌公司2012年3月將“Android”應(yīng)用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的應(yīng)用將處理更多的數(shù)據(jù)，執(zhí)行更加復(fù)雜的處理工作。

　　注1） 雖然應(yīng)用APK文件的容量限制依然為50MB，不過(guò)最多可以使用2個(gè)最大2GB的擴(kuò)展文件。

　　“終端廠商要求‘在保持當(dāng)前耗電量不變的情況下提高性能’”（半導(dǎo)體廠商）。為此，處理器需要實(shí)現(xiàn)能夠輕松處理今后亮相的高級(jí)應(yīng)用，并最大限度降低耗電量。

　　處理器的低耗電量化有兩大方向（圖6）。一是提高單位電力的處理性能（電力效率）。另一個(gè)是盡量減少通常處理時(shí)無(wú)需消耗的電量。

　　圖6：在提高電路的電力效率以及進(jìn)行極其細(xì)微的電力控制兩方面努力

　　為降低應(yīng)用處理器和基帶處理LSI的耗電量，在兩個(gè)方向采取舉措。需要通過(guò)微細(xì)化和低電壓化等提高電路的電力效率，根據(jù)運(yùn)行情況徹底對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制。

　　最大限度提高電力效率

　　為提高處理器的電力效率，各半導(dǎo)體廠商紛紛致力于半導(dǎo)體的微細(xì)化、電路的低電壓化以及漏電的削減等。LSI的動(dòng)態(tài)耗電量與工作頻率、負(fù)荷容量以及電源電壓的平方乘積成正比。盡量削減這些要素就能以更少的耗電量執(zhí)行相同的處理任務(wù)。

　　半導(dǎo)體的微細(xì)化在2012年是具有里程碑意義的一年。預(yù)計(jì)采用32nm/28nm工藝技術(shù)制造的產(chǎn)品將配備于智能手機(jī)（表1）。雖然漏電功率容易增加，但由于電路負(fù)荷容量減小，因此可以相應(yīng)削減耗電量。數(shù)年后的22nm/20nm工藝的應(yīng)用也有望利用這一效應(yīng)。

　　技術(shù)壁壘較高的是低電壓化。雖然半導(dǎo)體芯片截至90nm工藝一直在隨著微細(xì)化順利降低電壓，但之后SRAM的誤動(dòng)作成為瓶頸，低電壓化越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)。目前的便攜終端用處理器的標(biāo)準(zhǔn)電壓只降到1.0～1.1V左右，最小驅(qū)動(dòng)電壓降到0.8～0.9V左右。因此需要從根本上改進(jìn)電路技術(shù)。

　　推進(jìn)這類研究的是美國(guó)英特爾。該公司試制出了電力效率在閾值電壓附近最高的x86處理器“Claremont”。這是通過(guò)開(kāi)發(fā)能以0.28V的極低電源電壓正常運(yùn)行的電路群來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以接近閾值電壓的0.45V電源電壓運(yùn)行時(shí)，工作頻率為60MHz，電力效率最大為5830MIPS/W（整體耗電量為10mW）。以1.2V運(yùn)行時(shí)，工作頻率最大為915MHz，電力效率為1240MIPS/W（整體耗電量為737mW）。

　　漏電功率對(duì)策也在推進(jìn)

　　要想提高電力效率，還必須削減漏電功率。韓國(guó)三星電子在“Exynos”處理器上采用32nm工藝制造技術(shù)時(shí)，導(dǎo)入了high-k柵極絕緣膜/金屬柵極（即HKMG）。

　　與32nm工藝中未導(dǎo)入HKMG時(shí)相比，柵極漏電流降至約1/100，整體漏電流降至約1/10。另外，三星電子還首次采用了基板偏壓技術(shù)*。目的是根據(jù)裸片上的漏電功率和性能的監(jiān)控信息，減小制造偏差造成的性能下降和漏電功率。

　　*基板偏壓技術(shù)＝在硅基板上加載偏壓以動(dòng)態(tài)控制閾值電壓的技術(shù)。通過(guò)加載負(fù)電壓提高閾值電壓以暫時(shí)抑制漏電流的后基板偏壓，或者通過(guò)加載正電壓降低閾值電壓以暫時(shí)提高速度的前基板偏壓。

　　為盡量削減正常處理時(shí)無(wú)需消耗的電力，而實(shí)施的對(duì)策是根據(jù)負(fù)荷改變工作頻率和電壓的DVFS*，以及以電路塊為單位的電源切斷和時(shí)鐘切斷操作。處理器本來(lái)就導(dǎo)入了以動(dòng)態(tài)控制電力為目的的技術(shù)。通過(guò)將這些技術(shù)用于細(xì)微之處，使負(fù)荷和耗電量走勢(shì)基本上呈現(xiàn)同樣的曲線走勢(shì)。

　　*DVFS（dynamic voltage and frequency scaling）＝在LSI中，通過(guò)根據(jù)處理負(fù)荷等動(dòng)態(tài)控制電源電壓和工作頻率，從而削減耗電量的方法。以LSI根據(jù)軟件指示變更設(shè)定的形態(tài)運(yùn)行。

　　從細(xì)微之處入手，瑞薩移動(dòng)的做法可謂典型。該公司的母公司瑞薩電子在用于傳統(tǒng)手機(jī)的應(yīng)用處理及基帶處理整合型處理器“SH-Mobile G”系列中，將DVFS應(yīng)用到了CPU內(nèi)核中，并對(duì)電源域和時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)分化。

　　而瑞薩移動(dòng)面向智能手機(jī)開(kāi)發(fā)的“MP5232”則對(duì)CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定以及電源域和時(shí)鐘系統(tǒng)則進(jìn)行了更加細(xì)致的劃分（圖7）?！坝捎诒仨毰渲?a target="_blank">電源開(kāi)關(guān)，因此并不是只要細(xì)分就完事了。我們?cè)O(shè)想了智能手機(jī)的使用情況，找到了最佳劃分點(diǎn)”（瑞薩移動(dòng)移動(dòng)多媒體事業(yè)本部SoC事業(yè)部事業(yè)部長(zhǎng)服部俊洋）。

　　圖7：根據(jù)利用情況對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制

　　瑞薩移動(dòng)面向智能手機(jī)開(kāi)發(fā)的“MP5232”與用于傳統(tǒng)手機(jī)的處理器相比，可以根據(jù)利用情況對(duì)電力進(jìn)行極其細(xì)微的控制。CPU內(nèi)核的工作頻率設(shè)定、電源域的數(shù)量以及時(shí)鐘系統(tǒng)的數(shù)量均大幅增加。

　　對(duì)每個(gè)CPU內(nèi)核控制頻率

　　美國(guó)高通的“Snapdragon”系列采用根據(jù)多個(gè)CPU內(nèi)核進(jìn)行DVFS的方式。向一個(gè)內(nèi)核施加較大負(fù)荷時(shí)，如果其他內(nèi)核的負(fù)荷較小，則會(huì)削減負(fù)載較小的內(nèi)核的工作頻率（圖8）。其他半導(dǎo)體廠商則采用對(duì)內(nèi)核群統(tǒng)一進(jìn)行DVFS的方法，即根據(jù)處理負(fù)荷統(tǒng)一改變多個(gè)CPU內(nèi)核的工作頻率。

　　圖8：按照多個(gè)CPU內(nèi)核進(jìn)行DVFS

　　高通在“Snapdragon”系列的多核產(chǎn)品中，按照各CPU內(nèi)核進(jìn)行了動(dòng)態(tài)控制電壓和頻率的DVFS。通過(guò)向各CPU內(nèi)核供給其他系統(tǒng)的電力和時(shí)鐘，提高了對(duì)處理負(fù)荷的追隨性。

　　按內(nèi)核進(jìn)行DVFS的方法存在電源電路部件增加的問(wèn)題，不過(guò)“該方式能防止當(dāng)單線程的處理負(fù)荷較大時(shí)，其他內(nèi)核以不必要的高頻率運(yùn)行狀態(tài)，我們判斷這樣做的優(yōu)勢(shì)更大一些”（高通日本CDMA技術(shù)營(yíng)銷及業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)統(tǒng)括部長(zhǎng)須永順子）。除了雙核產(chǎn)品外，四核產(chǎn)品也采用相同的方式。

　　DVFS和電源切斷的徹底實(shí)施在基帶處理LSI方面也得到了推進(jìn)。尤其是“在整合型處理器中，基帶處理部也容易細(xì)微地控制電力”（高通日本的須永）。不僅是成本和安裝面積，耗電量也可能成為選擇整合型處理器的理由。

　　適當(dāng)使用效率各異的CPU

　　今后，處理器將導(dǎo)入的新低耗電量化舉措之一是電路的“混合”化。在智能手機(jī)中，“所要求的處理動(dòng)態(tài)范圍比傳統(tǒng)手機(jī)大幅擴(kuò)大。今后還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大”（瑞薩移動(dòng)的服部）。在處理負(fù)荷非常小時(shí)和非常大時(shí)區(qū)分使用最佳電力效率的電路——這類對(duì)策將得到推進(jìn)。

　　混合化從耗電量尤其大的CPU部分開(kāi)始。最先得到應(yīng)用的是美國(guó)英偉達(dá)在“Tegra 3”中采用的“4-PLUS-1”技術(shù)。這是在同一枚裸片上混載采用LP（低電力）工藝的低電力CPU內(nèi)核和采用G（普通）工藝的主CPU內(nèi)核群的做法，可根據(jù)負(fù)荷切換使用（圖9）。CPU內(nèi)核采用相同的微架構(gòu)。

　　圖9：利用不同的制造工藝安裝

　　區(qū)分使用CPU的英偉達(dá)在“Tegra3”中導(dǎo)入了可以區(qū)分使用以低電力工藝制造的CPU內(nèi)核以及以普通工藝制造的CPU內(nèi)核的“4-PLUS-1”技術(shù)。為了不使切換點(diǎn)附近頻繁發(fā)生切換，采取了預(yù)防措施。

　　“從決定切換到完成切換所需時(shí)間不到2ms，用戶應(yīng)該注意不到”（英偉達(dá)日本技術(shù)營(yíng)銷工程師Steven Zhang）。不過(guò)，如果負(fù)荷剛好在切換邊界附近變化，可能會(huì)頻繁進(jìn)行切換處理，因此配備了在重復(fù)切換點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際切換次數(shù)調(diào)整切換點(diǎn)的學(xué)習(xí)功能。

　　通過(guò)微細(xì)化獲得可行對(duì)策

　　2013年前后有望實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的，是切換不同微架構(gòu)CPU內(nèi)核的方法。英國(guó)ARM公司發(fā)布了可以切換使用相同指令集架構(gòu)CPU內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)（圖10）。通過(guò)混合使用為提高最高性能而開(kāi)發(fā)的A15內(nèi)核，以及為優(yōu)先提高電力效率而開(kāi)發(fā)的A7內(nèi)核，兼顧了負(fù)荷較小時(shí)的低電力運(yùn)行和負(fù)荷較大時(shí)的高性能運(yùn)行 注2）。兩種內(nèi)核在寄存器范圍等方面存在差異，不過(guò)這種差異可以利用二者配備的虛擬支援機(jī)構(gòu)吸收?！霸谕幻堵闫匣燧d制造工藝各異的電路可能會(huì)增加掩模費(fèi)用。將來(lái)采用閾值較少的big.LITTLE的廠商應(yīng)該會(huì)增加”（某半導(dǎo)體廠商的技術(shù)人員）。

　　圖10：在不同架構(gòu)的CPU中切換使用的“big.LITTLE”

　　ARM公司正在開(kāi)發(fā)可以切換使用指令集兼容的Cortex-A15內(nèi)核群和Cortex-A7內(nèi)核群的“big.LITTLE”技術(shù)。處理負(fù)荷較低時(shí)利用電力效率較高的A7內(nèi)核群，負(fù)荷較高時(shí)利用單位頻率的處理性能較高的A15內(nèi)核。

　　注2） big.LITTLE技術(shù)有切換使用A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“Task Migration”模式，以及同時(shí)運(yùn)行A15內(nèi)核和A7內(nèi)核的“MP”模式。MP模式需要擴(kuò)展OS的調(diào)度器（Scheduler），ARM公司正面向big.LITLLE的實(shí)用化時(shí)間進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　混合化得以推進(jìn)的背景在于，CPU內(nèi)核在處理器上所占的面積比例減小。在目前的雙核產(chǎn)品中，CPU內(nèi)核的面積只占整體的1～2成。今后，如果電路面積也隨著半導(dǎo)體的進(jìn)一步微細(xì)化而出現(xiàn)充?？臻g，GPU內(nèi)核等其他電路也有望采用混合構(gòu)造。


　　顯示器——大屏幕和高精細(xì)化不斷增加功耗，液晶及有機(jī)EL均瞄準(zhǔn)耗電量減半

　　智能手機(jī)配備了比普通手機(jī)尺寸大且高精細(xì)的顯示面板，顯示面板的耗電量也隨之增加?，F(xiàn)有智能手機(jī)配備的顯示面板，無(wú)論液晶面板還是有機(jī)EL面板，其耗電量均超過(guò)了600mW（圖11）。有機(jī)EL面板在全白顯示時(shí)的耗電量甚至達(dá)到了約1800mW。

　　圖11：耗電量高的智能手機(jī)用面板

　　智能手機(jī)配備的液晶面板或有機(jī)EL面板的耗電量超過(guò)了600mW。圖中為各終端廠商通過(guò)實(shí)施圖像處理等降低耗電量的情況。（圖中的面板耗電量為L(zhǎng)G顯示器的數(shù)據(jù)）

　　加之智能手機(jī)不以語(yǔ)音通話為主，而主要是用于Web網(wǎng)站瀏覽和郵件收發(fā)，這種用法的改變，使得顯示面板會(huì)一直保持點(diǎn)亮狀態(tài)?？梢哉f(shuō)，一直消耗著600mW以上電力的顯示面板是令智能手機(jī)電池耐久性惡化的主要原因。

　　目前是以圖像處理來(lái)降低耗電量

　　如果只單純配備耗電量超過(guò)600mW的顯示面板，智能手機(jī)是無(wú)法避免電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間太短的問(wèn)題的。各終端廠商現(xiàn)在是通過(guò)實(shí)施諸如相對(duì)于輸入影像信號(hào)及周圍亮度的伽瑪校正以及畫(huà)面亮度控制等圖像處理，來(lái)降低顯示面板耗電量的。

　　由圖像處理降低顯示面板耗電量的方法“在普通手機(jī)上從2008年前后開(kāi)始導(dǎo)入，隨著顯示面板的大屏幕化和高精細(xì)化，能夠更加精細(xì)地進(jìn)行控制”（NEC卡西歐移動(dòng)的并木）。

　　配備有機(jī)EL面板的智能手機(jī)除圖像處理外，還在顯示內(nèi)容方面下了工夫。通過(guò)在菜單畫(huà)面等上以黑色顯示背景，以白色顯示文字，減小了白顯示在畫(huà)面整體所占的面積。可以說(shuō)這是全白顯示時(shí)的耗電量高的“有機(jī)EL面板機(jī)型必須要做的處理”（NEC卡西歐移動(dòng)的并木）。

　　高精細(xì)化變成瓶頸

　　盡管終端廠商采取了措施，但據(jù)稱在瀏覽Web網(wǎng)站時(shí)顯示面板的耗電量“仍占智能手機(jī)整體的約3成”（多家終端廠商）。要想從根本上解決問(wèn)題，需要降低顯示面板自身的耗電量。

　　但從面板廠商的開(kāi)發(fā)動(dòng)向來(lái)看，智能手機(jī)用顯示面板的耗電量今后還可能進(jìn)一步增加。因?yàn)橐壕姘宓染诓粩嗤七M(jìn)大屏幕化和高精細(xì)化。

　　目前，各終端廠商的高端機(jī)型開(kāi)始普遍采用分辨率在300ppi以上的顯示面板（圖12）。在2012年底～2013年，分辨率有可能會(huì)提高到近500ppi。精細(xì)度提高，單位像素的開(kāi)口率就會(huì)降低，耗電量就會(huì)進(jìn)一步增加。

　　圖12：精細(xì)度的提高，會(huì)使面板開(kāi)口率降低

　　智能手機(jī)配備的液晶面板不斷推進(jìn)大屏幕化和高精細(xì)化。隨著分辨率的提高，面板開(kāi)口率逐漸降低。

　　各面板廠商需要開(kāi)發(fā)兼顧高精細(xì)化和低耗電量化的面板。雖然進(jìn)展緩慢，但液晶面板和有機(jī)EL面板均已開(kāi)始采取旨在大幅削減耗電量的措施。

　　已采用了多種技術(shù)

　　液晶面板通過(guò)控制液晶分子的電壓部分遮蔽背照燈光來(lái)表現(xiàn)灰階。降低耗電量的對(duì)策有增加面板開(kāi)口率、降低驅(qū)動(dòng)電壓、提高背照燈光源——白色LED的發(fā)光效率，以及提高光學(xué)材料性能等。耗電量的降低，正是這些措施“一點(diǎn)點(diǎn)積累的結(jié)果”（日立顯示器）注1）。

　　注1）東芝移動(dòng)顯示器、索尼移動(dòng)顯示器和日立顯示器三家公司2012年4月合并成了日本顯示器，本文中使用的是原公司名稱。

　　現(xiàn)有智能手機(jī)用液晶面板已經(jīng)采用了多種低耗電量化技術(shù)（圖13）。顯示模式采用可提高開(kāi)口率的“FFS（fringe field switching）”方式*，驅(qū)動(dòng)元件采用載流子遷移率高、可小型化的低溫多晶硅（LTPS）TFT。光學(xué)部材使用了多片可提高亮度的薄膜。

　　*FFS方式＝與IPS方式一樣是橫向電場(chǎng)控制用顯示技術(shù)。與IPS方式不同的是，像素電極和通用電極配置在上下方向。中小型液晶面板大部分都采用FFS方式，但稱為IPS方式。

　　圖13：配備8個(gè)白色LED

　　分辨率超過(guò)300ppi的液晶面板最多可配備8個(gè)白色LED。為提高背照燈光的利用效率，采用了旨在提高開(kāi)口率的面板技術(shù)和光學(xué)部材。（圖為富士通的“Arrows X LTE”配備的4.3英寸、1280×720像素的液晶面板。Fomalhaut Technology Solutions協(xié)助拆解）

　　盡管如此，現(xiàn)有智能手機(jī)的液晶面板仍必須使用最多8個(gè)白色LED來(lái)確保亮度。雖然白色LED的發(fā)光效率“有望以年均5～10％左右的幅度提高”（日亞化學(xué)工業(yè)），但隨著高精細(xì)化的發(fā)展，發(fā)光效率提高的部分可能會(huì)被抵消掉。僅改良現(xiàn)有技術(shù)只能提高數(shù)％左右，難以從根本上解決問(wèn)題。

　　從像素構(gòu)成入手

　　在大幅削減耗電量上備受關(guān)注的液晶技術(shù)，也就是子像素排列的變更。具體為，在R（紅）G（綠）B（藍(lán)）3色的子像素中添加未配備彩色濾光片（CF）的W（白）來(lái)提高面板透射率，從而降低耗電量。雖然這是原來(lái)就有的技術(shù)，但目前將其應(yīng)用于高精細(xì)面板中的討論在加速。

　　通過(guò)變更子像素的排列降低了液晶面板耗電量的終端已經(jīng)面世。那就是英國(guó)索尼移動(dòng)通信（Sony Mobile Communications）2012年2月發(fā)布的智能手機(jī)“Xperia P”。該機(jī)型配備了索尼開(kāi)發(fā)的“WhiteMagic”液晶面板（圖14）。

　　圖14：采用RGBW方式的WhiteMagic

　　索尼移動(dòng)通信在該公司的智能手機(jī)“Xperia P”上采用了索尼開(kāi)發(fā)的液晶面板“WhiteMagic”（a）。通過(guò)采用在RGB中追加W的4色子像素，與原產(chǎn)品相比不但將耗電量削減約50％，還可將亮度提高至約2倍（b）。

　　WhiteMagic在一個(gè)像素上配置了RGBW四色的子像素。即使背照燈亮度減半，面板畫(huà)面仍可實(shí)現(xiàn)與此前產(chǎn)品相同的亮度。其特點(diǎn)是，如果背照燈亮度與原產(chǎn)品相同，則畫(huà)面亮度可提高至2倍左右。

　　索尼移動(dòng)采用WhiteMagic時(shí)，調(diào)整了對(duì)輸入影像的圖像處理。這是因?yàn)?，如果只單純追加W，影像的對(duì)比度感會(huì)降低。索尼移動(dòng)與索尼共同反復(fù)調(diào)整了將RGB影像信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGBW時(shí)的圖像處理參數(shù)。由此，“實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)使用時(shí)可削減耗電量，在戶外時(shí)畫(huà)面明亮容易看清的效果”（索尼移動(dòng)）。

　　將RGBW分配給兩個(gè)像素

　　韓國(guó)三星電子正在研究同樣采用RGBW四色子像素，但將其分配給兩個(gè)像素的“Pentile”方式。由于將一個(gè)像素的子像素?cái)?shù)從以往的3個(gè)減為2個(gè)，因此更方便提高面板透射率。雖然因像素減少而被指畫(huà)質(zhì)劣化，但不失為削減耗電量的有效手段。

　　三星采用Pentile方式試制的10.1英寸、2560×1600像素的液晶面板，驅(qū)動(dòng)元件采用遷移率低、TFT難以小型化的非晶硅TFT，但卻可實(shí)現(xiàn)299ppi的高分辨率（圖15）。耗電量最大為3.4W，與采用RGB三色CF的10.1英寸1280×800像素產(chǎn)品相同?！白钤珙A(yù)定在2012年內(nèi)開(kāi)始量產(chǎn)”（三星）。

　　圖15：以Pentile方式降低耗電量

　　三星電子正探討在高精細(xì)面板中導(dǎo)入將RGBW四色子像素分配給兩個(gè)像素的“Pentile”方式。據(jù)稱在10.1英寸產(chǎn)品的比較中，導(dǎo)入該方式的2560×1600像素產(chǎn)品的耗電量與采用RGB三色子像素的1280×800像素產(chǎn)品為同等水平。

　　關(guān)鍵在于提高發(fā)光元件的性能

　　有機(jī)EL面板屬于自發(fā)光型器件，與液晶面板相比構(gòu)成部材較少。用于智能手機(jī)的有機(jī)EL面板采用在TFT基板相反的一側(cè)提取光的頂部發(fā)光構(gòu)造，因此不會(huì)被TFT遮擋住光線。要降低耗電量，需要提高有機(jī)EL元件的內(nèi)部量子效率和光提取效率。

　　要提高有機(jī)EL元件的內(nèi)部量子效率，最有效的方法莫過(guò)于采用磷光材料。三重態(tài)激勵(lì)發(fā)光的磷光材料與從單重態(tài)激勵(lì)發(fā)光的螢光材料相比，在理論上內(nèi)部量子效率更高。目前的狀況是，在智能手機(jī)用有機(jī)EL面板上，R發(fā)光材料已經(jīng)實(shí)用化，G發(fā)光材料即將得到采用。但B的磷光材料由于色純度和壽命較低，實(shí)用化尚需時(shí)日 注2）。

　　注2） 為使磷光材料從三重態(tài)發(fā)光，而要采用Ir（銥）和Pt（白金）等昂貴的金屬。因此存在成本高的課題。九州大學(xué)以數(shù)年后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化為目標(biāo)，正在開(kāi)發(fā)不含Ir和Pt的發(fā)光材料。通過(guò)將單重態(tài)和三重態(tài)激發(fā)狀態(tài)的能量順序之差降到50meV，而在將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)換。據(jù)2012年3月發(fā)布的開(kāi)發(fā)成果，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了86.5％的高轉(zhuǎn)換效率。

　　出光興產(chǎn)采用現(xiàn)有的B螢光材料提高了內(nèi)部量子效率（圖16）。該公司通過(guò)在電子輸送層和發(fā)光層之間設(shè)置“EEL（efficiency enhancement layer）”層，開(kāi)發(fā)出了超過(guò)螢光材料理論界限的B發(fā)光元件。“EEL通過(guò)使三重態(tài)激子在發(fā)光元件內(nèi)保留一定的時(shí)間，使激子之間發(fā)生碰撞，從而將能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)移”（出光興產(chǎn)電子材料部電子材料中心主任研究員熊均）。由此提高了內(nèi)部量子效率。

　　圖16：耗電量降至1/2以下

　　出光興產(chǎn)通過(guò)追加高效率層提高了B螢光材料的內(nèi)部量子效率，并通過(guò)追加覆蓋層改善了光提取效率（a，b）。取得了4英寸的800×480像素產(chǎn)品的耗電量在全白顯示時(shí)為644mW，平均為143mW的模擬結(jié)果（c）。（圖由本刊根據(jù)出光興產(chǎn)的資料制作）

　　出光興產(chǎn)還設(shè)法提高了有機(jī)EL元件的光提取效率。通過(guò)在發(fā)光元件的負(fù)極上設(shè)置折射率較高的有機(jī)物覆蓋層，“抑制了表面離子體在負(fù)極表面上造成的消光現(xiàn)象”（熊均）。該公司采用B螢光材料以及R和G磷光材料試制出了設(shè)置有EEL和覆蓋層的有機(jī)EL元件。將其用于800×480像素的4英寸品時(shí)，預(yù)計(jì)耗電量在全白顯示時(shí)為644mW，平均為143mW，可降至目前的1/2以下。

　　還可能有第三種顯示元件

　　除了液晶面板和有機(jī)EL面板外，還有其他降低了耗電量的顯示器技術(shù)。其中之一就是美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Pixtronix開(kāi)發(fā)的MEMS顯示器（圖17）。

　　圖17：以MEMS快門顯示

　　CMI和日立顯示器等試制了采用Pixtronix公司自主技術(shù)的MEMS顯示器（a，b）。與液晶面板相比，光的利用效率比較高（c）。（圖根據(jù)Pixtronix公司的資料制作）

　　Pixtronix開(kāi)發(fā)的MEMS顯示器技術(shù)由MEMS快門、采用RGB三色LED的背照燈、TFT、反射板及玻璃基板等構(gòu)成。通過(guò)高速開(kāi)關(guān)MEMS快門，控制LED背照燈的透射光和自然光量來(lái)顯示灰階。透射模式通過(guò)依次驅(qū)動(dòng)RGB三色LED背照燈來(lái)顯示彩色。由于無(wú)需像液晶面板那樣使用偏光板和CF，因此光利用效率可提高至60～80％左右，比液晶面板的6～8％有大幅提升。

　　Pixtronix已在向奇美電子（CMI）、日立顯示器以及三星等知名面板廠商提供技術(shù)授權(quán)。CMI已公開(kāi)了5.14英寸的640×480像素試制品，日立顯示器也公開(kāi)了2.5英寸的320×240像素試制品。CMI的試制品耗電量為550mW，“是相同性能參數(shù)液晶面板的2/3左右”（CMI）。


　　RF電路篇：降低功放耗電量，關(guān)注包絡(luò)跟蹤

　　在用于智能手機(jī)通信的無(wú)線電路（RF電路）中，旨在降低耗電量的技術(shù)開(kāi)發(fā)也十分活躍。這是因?yàn)?，就峰值功率而言，僅RF電路就會(huì)消耗2W左右的電力，所以還存在著很大的削減空間。

　　RF電路中消耗電力最大的是發(fā)送部用來(lái)放大信號(hào)的功率放大器（PA）。在終端和基站處于遠(yuǎn)距離等情況下時(shí)，信號(hào)峰值會(huì)在瞬間消耗1.5W左右的電力（圖18）。因此在RF電路中，如何削減PA的耗電量成了關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　圖18：RF電路的對(duì)策

　　智能手機(jī)的RF電路中，耗電量最大的是功率放大器（PA）。例如LTE在以23dBm輸出時(shí)，僅功率放大器就會(huì)瞬間消耗1.5W左右的電力（a）。因此，要想降低RF電路的耗電量，提高PA的效率以及通過(guò)周邊技術(shù)降低損耗至關(guān)重要（b）。（圖18：（a）由本刊根據(jù)澳大利亞新南維爾士大學(xué)和英國(guó)Nujira公司的資料制作）

　　削減耗電量的關(guān)鍵在于提高PA的功率附加效率*和降低周邊技術(shù)的電力損耗（圖18（b））。

　　*功率附加效率（PAE：power added efficiency）＝表示PA的實(shí)際輸出信號(hào)電力（從輸出信號(hào)電力中減去輸入信號(hào)電力的值）與電源加載的直流電力的比率。

　　PA的功率附加效率因采用的通信方式而異。比如，用于GSM方式通信電路的PA有望達(dá)到50％以上的效率，而用于W-CDMA方式的PA最大為40％左右，至于LTE由于尚未進(jìn)行充分優(yōu)化等，最大效率只有35％左右。也就是說(shuō)，LTE終端中用于PA的輸入功率有65％以上被浪費(fèi)了（化為熱量等）。

　　多頻阻礙效率提高

　　今后將成為主流的LTE方式智能手機(jī)的PA要想提高功率附加效率無(wú)比困難。理由在于多頻化的推進(jìn)。

　　LTE方式的智能手機(jī)為了能在世界各地使用，標(biāo)配了國(guó)際漫游功能。因此，RF電路必須支持多個(gè)頻率（多頻化）。如果PA和濾波器等RF電路的個(gè)別部件根據(jù)支持頻率的數(shù)量來(lái)安裝，部件個(gè)數(shù)就會(huì)增加，導(dǎo)致安裝面積增大，成本也會(huì)增加。為了避免這種情況，LTE終端的主流是利用可在一個(gè)封裝中支持多個(gè)頻率的多頻產(chǎn)品（圖19）?！昂芏嘟K端廠商打算在RF電路中以多模和多頻部件的使用為主”（村田制作所執(zhí)行董事、模塊事業(yè)本部副本部長(zhǎng)中島規(guī)巨）。

　　圖19：通過(guò)多頻產(chǎn)品削減安裝面積

　　采用多頻型功率放大器（PA）的話，即使支持的頻帶數(shù)增加，安裝面積也不會(huì)增加。（本站根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　村田制作所的多頻型PA與單一頻帶（單頻）產(chǎn)品相比，不容易提高效率。所支持的放大頻帶數(shù)量越多，功率附加效率越難以提高，二者屬于此消彼長(zhǎng)（Trade-off）的關(guān)系 注1）。

　　注1） 多頻型PA一般采用廣帶型放大電路，與特定頻帶具備放大特性的單頻型相比，效率值容易下降。

　　包絡(luò)跟蹤技術(shù)亮相

　　作為提高LTE終端多頻型PA效率的技術(shù)，備受關(guān)注的是對(duì)輸入PA的電源電壓進(jìn)行細(xì)微控制的“Envelope Tracking（包絡(luò)跟蹤）”。

　　包絡(luò)跟蹤是對(duì)PA的電源電壓進(jìn)行極其細(xì)微的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)。此前一直利用以發(fā)送信號(hào)的1個(gè)時(shí)隙為單位切換PA電源電壓的方法“Average Power Tracking”。而包絡(luò)跟蹤則追蹤信號(hào)振幅（信號(hào)電力），以更小的時(shí)隙切換電源電壓，由此在輸出時(shí)會(huì)選擇效率最高的電源電壓進(jìn)行發(fā)送（圖20）。

　　圖20：追蹤信號(hào)波形，細(xì)微控制電壓

　　無(wú)電壓控制、Average Power Tracking以及Envelope Tracking時(shí)的時(shí)間軸信號(hào)波形示意圖。粉線表示電壓值水平，粉色區(qū)域表示發(fā)熱（多余的電力消耗）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）

　　PA的功率附加效率對(duì)電源電壓和發(fā)送電力有依賴性，因此如果能根據(jù)發(fā)送電力切換電源電壓，在理想狀態(tài)下能一直選擇最大效率點(diǎn)，可以減少多余的電力消耗。通過(guò)組合使用該技術(shù)，彌補(bǔ)了多頻型PA效率降低的缺點(diǎn)。

　　包絡(luò)跟蹤有多種實(shí)現(xiàn)方法，最常用的是從輸入信號(hào)波形中提取振幅的形狀，然后將所需的偏置信號(hào)輸入PA的方法（圖21）。此時(shí)采用的旨在加載最佳偏壓的控制IC由歐美風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)開(kāi)發(fā)。

　　圖21：包絡(luò)跟蹤的控制電路

　　從輸入信號(hào)波形生成偏置信號(hào)波形，利用偏置信號(hào)波形對(duì)輸入功率放大器（PA）的電源電壓進(jìn)行微細(xì)控制。根據(jù)PA的輸出改變電源電壓，由此能以最高效率的電壓驅(qū)動(dòng)。（圖由本刊根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　大幅削減耗電量

　　例如，如果使用英國(guó)Nujira公司供貨的包絡(luò)跟蹤用控制IC，耗電量可較未使用時(shí)削減40％～55％（圖22）。“與W-CDMA等相比，動(dòng)態(tài)范圍較大的LTE能進(jìn)一步降低耗電量”（Nujira公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Tamas Vlasits）。

　　圖22：包絡(luò)跟蹤的效果

　　Nujira公司的包絡(luò)跟蹤控制IC“NCT-L1100”封裝在4mm見(jiàn)方的BGA等中（a）。W-CDMA、HSUPA及LTE在23dBm輸出時(shí)的RF電路耗電量。導(dǎo)入包絡(luò)跟蹤技術(shù)，大幅降低了PA的耗電量。LTE的話可削減55％的耗電量（b）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）

　　包絡(luò)跟蹤用控制IC插入PA和RF收發(fā)器IC（或基帶處理LSI）之間使用。控制IC通過(guò)符合MIPI（Mobile Industry Processor Interface）標(biāo)準(zhǔn)的芯片間接口等控制 注2）。

　　注2） MIPI Alliance于2011年11約成立了旨在制定包絡(luò)跟蹤專用接口標(biāo)準(zhǔn)的工作組。預(yù)定制定從RF收發(fā)器IC或基帶處理LSI收發(fā)包絡(luò)信號(hào)的信號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)。

　　在包絡(luò)跟蹤用控制IC領(lǐng)域另一家較受關(guān)注的公司是美國(guó)Quantance。該公司將自主開(kāi)發(fā)的技術(shù)命名為“qBoost”，計(jì)劃與PA廠商合作擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用范圍。該公司稱，利用該技術(shù)可將功率附加效率提高至50％左右。

　　Quantance已經(jīng)與三菱電機(jī)展開(kāi)了合作。三菱電機(jī)前不久發(fā)布了尺寸僅3mm見(jiàn)方、可放大6頻帶的PA，設(shè)想與包絡(luò)跟蹤技術(shù)組合使用。組合使用后可確保最大40％的效率（圖23）。

　　圖23：支持6個(gè)頻帶，可確保40％的效率

　　三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)的GaAs制PA尺寸只有3mm×3mm×1mm（a）。功率附加效率在1.7G～2GHz的6個(gè)頻帶中最大可確保40％（b）。（圖由本刊根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　將來(lái)計(jì)劃配備于RF IC

　　包絡(luò)跟蹤技術(shù)不僅可以利用上述專用控制IC來(lái)支持，在不久的將來(lái)還計(jì)劃嵌入RF收發(fā)器IC等使用。富士通半導(dǎo)體預(yù)定2012年5月上旬開(kāi)始樣品供貨配備包絡(luò)跟蹤控制功能的多模及多頻型RF收發(fā)器IC“MB86L11A”。這是業(yè)界首款配備包絡(luò)跟蹤控制功能的RF收發(fā)器IC。此外，美國(guó)高通公司等從事智能手機(jī)芯片組業(yè)務(wù)的大企業(yè)好像也都在考慮標(biāo)配該技術(shù)。

　　不過(guò)，包絡(luò)跟蹤也存在課題。由于電源電壓高速切換，信號(hào)的失真特性會(huì)劣化，相鄰?fù)ǖ赖穆╇姽目赡軙?huì)增大。作為解決對(duì)策，瑞薩電子通過(guò)提前使發(fā)送信號(hào)失真（預(yù)失真）減輕了劣化，瑞薩電子認(rèn)為“需要探討類似的補(bǔ)償技術(shù)”。

　　提高元件自身的效率

　　還有廠商打算通過(guò)提高PA元件自身的特性來(lái)提高效率，以降低耗電量。例如美國(guó)威訊聯(lián)合半導(dǎo)體（RF Micro Devices）于2012年2月底發(fā)布了可將LTE發(fā)送時(shí)的功率附加效率提高至42～44％左右的PA“ultra-high efficiency PA” 注3）。

　　注3）可用于放大W-CDMA的頻帶1、2、3、4、5、8，以及LTE的頻帶4、7、11、13、17、18、20、21。

　　另外，富士通半導(dǎo)體2011年底開(kāi)始供貨多頻型PA，通過(guò)在PA元件中利用與富士通研究所共同開(kāi)發(fā)的高耐壓晶體管“EBV-Transistor”提高了效率。這是一款利用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的PA，能夠通過(guò)一個(gè)封裝支持W-CDMA和HSPA利用的3個(gè)頻帶的放大（圖24）。據(jù)富士通半導(dǎo)體介紹，使用頻率較高的中低輸出時(shí)的效率非常高。

　　圖24：富士通的CMOS制PA支持3個(gè)頻帶

　　富士通半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的CMOS制PA利用一枚芯片實(shí)現(xiàn)了W-CDMA/HSPA的頻帶Ⅰ（2.1GHz頻帶）、頻帶Ⅴ（850MHz頻帶）、頻帶Ⅸ（1.7GHz頻帶）的放大。尺寸為4mm×3.5mm×0.7mm。

　　減少反射波降低耗電量

　　另外還有不在PA上下工夫，而是通過(guò)導(dǎo)入RF電路的周邊技術(shù)來(lái)降低電力損耗的案例，比如插入隔離器來(lái)減少反射波。

　　隔離器是僅通過(guò)單向信號(hào)的部件，如果在PA和天線之間插入隔離器，可以阻止從天線側(cè)逆流進(jìn)入的信號(hào)。

　　最近的智能手機(jī)天線一般設(shè)置在機(jī)身側(cè)面等，天線阻抗會(huì)隨著用戶握持方法的不同而大幅變動(dòng)。因此，RF發(fā)送部會(huì)產(chǎn)生阻抗不匹配現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PA的輸出信號(hào)作為反射波返回，這會(huì)使S/N惡化。

　　反射越多，PA的發(fā)送電力越大，所以會(huì)導(dǎo)致耗電量的增加。插入隔離器可以去除反射波，從而降低耗電量。

　　使用隔離器會(huì)導(dǎo)致部件數(shù)量增加。因此，海外的終端廠商大都不愿意采用。不過(guò)開(kāi)發(fā)商期待，隨著對(duì)降低RF電路耗電量的關(guān)注度越來(lái)越高，采用的海外終端廠商也會(huì)增加。比如，隔離器開(kāi)發(fā)企業(yè)之一村田制作所開(kāi)發(fā)出了將PA、濾波器以及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個(gè)封裝內(nèi)的PA模塊，并且已開(kāi)始供貨（圖25）。該公司通過(guò)集成化縮小了產(chǎn)品尺寸，并以此為優(yōu)勢(shì)向日本國(guó)內(nèi)外的終端廠商積極促銷。

　　圖25：將隔離器內(nèi)置于PA模塊

　　村田制作所從2011年下半年開(kāi)始量產(chǎn)將PA、SAW濾波器及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個(gè)封裝內(nèi)的模塊（a）。支持多頻帶信號(hào)放大。外形尺寸為6.6mm×3.8mm×1.0mm（b）。