延長智慧型行動裝置電池續航力
電源管理設計架構舉足輕重

由於科技不斷改變人類的生活模式，實際與虛擬世界生活界線漸趨模糊，資訊的取得也不再僅限於桌上型電腦或筆記型電腦，智慧型行動裝置如平板裝置(Tablet Device)、掌上型遊戲機、智慧型手機(Smart Phone)等，將扮演重要角色。

各種智慧型行動裝置的功能、作業系統與核心處理器皆有不同，舉例而言，目前智慧型行動裝置主要以安謀國際(ARM)處理器為核心架構，該架構在電源消耗上較具優勢，不過，英特爾(Intel)也專為智慧型行動裝置推出新系列凌動(Atom)處理器，功耗已大幅降低；在作業系統方面，Android可謂成長最亮眼的作業平台，許多智慧型行動裝置紛紛導入。然即便採用較節能的安謀國際核心，Android作業系統本身也須有一套電源管理架構，才能相得益彰，以解決智慧型行動裝置最關注的電池續航力問題。另外，如何讓使用者可便利地隨處充電，通用序列匯流排(USB)充電器也不可或缺。

功耗要求大不同　Android電源管理架構更嚴謹

眾所周知，Android是由Linux作業系統衍生而來，且Google專門將其設計為智慧型手機作業系統的定位，隨著Android開放特性優勢逐漸展現，許多廠商也將該平台用於各式行動裝置中。不過，由於Linux作業平台是以桌上型電腦與筆記型電腦應用為主，在應用不同的情況下，Android平台也新增新的電源管理模式，以符合行動裝置需求。

圖1　資策會網路多媒體技術中心資深工程師陳昱智表示，目前平板裝置與電子書閱讀器為採用Android作業系統的兩大應用。

與個人電腦(PC)不同，行動裝置要求長時間開機、待機與較常被喚醒進入到運作模式等，此外，在不增加行動裝置體積的狀況下，如何進一步提升電池續航力，更為行動裝置要求的重點。資策會網路多媒體技術中心資深工程師陳昱智(圖1)表示，Linux作業平台的電源管理架構是針對桌上型電腦等可接市電使用的裝置所設計，而由Linux衍生而來的Android平台在電源管理架構的底層仍是沿用Linux既有的架構，但為滿足行動裝置的各項用電特性，Android平台在設計之初，也在電源管理架構的上層韌體稍作修改，並增加三種電源管理模式。

Android作業系統新增的三種電源管理模式，分別為「常開(On)」、「早期暫停(Early Suspend)」與「喚醒鎖定(Wake Lock)」，以符合行動裝置的特性。陳昱智指出，On模式為永遠保持狀態開啟狀態；Early Suspend則是在作業流程中新增兩個程式碼--early_suspend與late_resume，雖可解決傳統Linux驅動程式不支援，卻也造成Android電源管理架構無法有效管理終端裝置耗電的問題；Wake Lock則是提供產品製造商可開發更多元的電源管理機制，例如喚醒裝置時，可設定僅某幾項功能啟動、螢幕亮度的設定或單指名某項應用在喚醒時啟動。

總括來說，Android平台電源管理架構設計考量重點為可長時間處於開機與待機狀態，以及驅動程式支援與否，以彌補Linux作業系統在行動裝置電源管理上的不足，陳昱智表示，在Android平台逐漸成為行動裝置作業系統主流的同時，廠商在行動裝置電源管理上如何更上一層樓，須更了解Android平台的電源管理架構，並藉此新架構開發更多樣化的省電功能。

提升行動裝置電池續航力　偏壓點調整崛起

行動裝置朝輕薄短小的外型發展已成大勢所趨，不過此趨勢卻與電池供電時間成反比，原因在於，更大尺寸的電池，其續航力勢必更為持久，然而針對行動裝置整合多項功能卻日趨輕薄短小的設計，電池尺寸也無法有擴大的機會，因此透過偏壓點調整的技術，可提高電池用電效率，解決上述難題。

圖2　右起為快捷資深應用工程經理林紹禮、資深應用工程經理蔡宗曄

以智慧型手機為例，系統整體最耗電的部分為全球行動通訊系統(GSM)或寬頻分碼多重存取(WCDMA)、3G與3.5G等無線通訊技術的射頻(RF)功率放大器(PA)，掌管各式應用的應用處理器，以及發光二極體(LED)背光。快捷(Fairchild)資深應用工程經理林紹禮(圖2右)表示，早期手機主要僅用於通話，不過進入到3G或未來的4G時代時，其高頻寬特性，使手機不再只有通話功能，還增添資料傳輸、多媒體影像串流等功能，功率放大器發射的功率也較以前提高許多，因此耗電量將更驚人。

不單功率放大器，在手機功能、資料傳輸率逐步增加的同時，如何在有限的電池尺寸中有效率的管理耗電，並進一步達到節能的目的，調整偏壓點則成為關鍵技術。林紹禮指出，功率放大器依訊號的強度而有不同的偏壓點，將影響功率放大器的耗電，因此快捷即思考小訊號時是否也須將偏壓點維持在高點，以免不必要的電力浪費。事實上，小訊號時將偏壓點往電壓低處移動，即使須犧牲一些功率放大器效能，但卻可降低功率放大器的耗電量。

快捷資深應用工程經理蔡宗曄(圖2左)強調，使用調整偏壓點的方式減少功率放大器耗電量，在各應用情境時都可展現延長電持續航力的成果，舉例而言，使用WCDMA技術進行通話時，使用偏壓點調整可使手機通話時間較未使用偏壓點時長66分鐘；執行網頁瀏覽或資料傳輸時，則可讓使用時間多出85分鐘。此外，在功率放大器熱能方面，使用偏壓點調整技術也可減少熱能的產生，有助於散熱設計。

隨時隨地補充電力　USB充電設計不容輕忽

除了從顯示器、功率放大器與電源管理電路等三方面來提升行動裝置本身的節能效率外，為了讓使用者可以快速、方便地補足電池電力，採用USB介面進行充電的設計，已成為市場大勢所趨，包括中國大陸、歐盟與台灣都已決定將MicroUSB作為行動裝置統一的充電介面。

為實現USB充電，工程師必須考量以下幾點設計要求。首先是操作電壓的範圍須介於4.35～5.25伏特之間，且須預防USB輸入電流過高並具備輸入端過電壓保護(OVP)功能。此外，在鋰離子電池充電演算法與溫度的管理上也必須相當精準。

圖3　凌力爾特應用工程部經理張振原指出，導入切換式USB電源管理及充電IC將可大幅提升充電效率。

凌力爾特(Linear Technology)應用工程部經理張振原(圖3)表示，理論上，USB充電電壓範圍為4.75～5.25伏特，但若電壓進入手持式裝置後遇到阻抗，抑或碰到過電壓保護元件和電源路徑(PowerPath)的管理，則會導致電流流過時產生壓降，造成真正到達充電器IC的電壓達不到4.75伏特，所以實際情況的充電電壓範圍多為4.35～5.25伏特。

傳統的線性充電器饋電(Charger-fed)充電電路設計架構較為簡單直接，輸入電流約等於充電電流，因此無需額外的輸入電流限制設計考量。由於此種設計的系統負載直接接在電池後面，因此可有最大的電流與最穩定的電壓，且有設計簡單、成本低、零件數目少等優點，但壞處在於系統負載直接連接到電池，電池若有損壞或電池不在，系統運作所需的電池就會受限，且充電效率差，易有過熱的問題發生。

為解決上述問題，利用電源路徑控制的新設計思維遂應運而生。張振源指出，透過電池充電器整合PowerPath控制器及理想二極體元件，能有效管理各式輸入電源、充電電池、供電負載並降低功耗。目前最新一代的PowerPath控制技術更已發展至第二代，其具備切換模式(Switch Mode)架構，充電效率與溫度表現均較以往更加出色。

至於輸入端過電壓保護設計則關乎USB充電的安全性。張振源強調，當USB充電介口插入電源時，會產生湧入電流(Inrush Current)，從而造成高達15、16伏特的電壓，因此須仰賴過電壓保護機制，確保系統運作無虞。此外，精準的CC-CV演算法與電池溫度管理，亦有助提高USB充電機制的可靠性。

USB充電成主流　OCP/OVP為關注焦點

圖4　茂達技術行銷部經理陳春全指出，過電壓、過電流及過溫保護將成為手機等行動裝置必備的保護功能。

USB充電保護的設計已是目前行動裝置電源管理的重要課題。茂達技術行銷部經理陳春全(圖4)指出，未來的2～3年內，手機裝置的充電介面將由Mini USB的結構朝向MicroUSB發展，其五支接腳除可用來充電，亦能傳輸數據、音訊、影像及檢測，也因此過電流保護(OCP)、過電壓保護等安全防護也較之前更為重要。

目前透過USB進行充電的方式，主要可分為三類，一是利用個人電腦和集線器(Hub)等主機(Host)端裝置的USB介面供電；第二類是從USB充電器進行充電；第三種則是從擴充底座(Docking Station)供電，同樣亦屬於主機端裝置的一種。不論何種方式，未來都希望能以1.5安培的電流為手機等行動裝置進行充電。

針對鎖定中國大陸市場的業者，則須將中國大陸官方在2010年修訂的YD/T1591-2010的規範列入發展考量。陳春全表示，該規範除在手機裝置充電電流範圍的約束與USB-IF相同，為500毫安培至1.5安培外，還明文規定若手機裝置要採用USB充電器，裝置本身須具備過電流保護、過電壓保護及過溫保護(OTP)等功能。此外，手機裝置的臨界電壓須達12伏特，其過壓保護功能須能保護裝置在電壓超過5.25伏特時不被燒壞。

陳春全強調，YD/T1591-2010要求手機裝置的臨界電壓為12伏特，並非是要設計可耐壓12伏特的處理器，而是在處理器前方加上具過電壓保護功能的元件，來承受12伏特的電壓。

為因應市場設計需求，茂達目前已分別發表一系列鋰電池過電壓/過電流保護晶片。當其中一種保護功能被啟動時，該元件會關閉內建P通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)功率開關，來隔絕充電電池與充電電源，每種保護功能皆具有抗雜訊干擾的功能，以防止誤觸發。

陳春全表示，保護功能已是未來鋰電池充電設計的發展趨勢，而為滿足智慧型手機等行動裝置的應用需求，更精巧、小尺寸與完整的保護方案，將是該公司重要的研發方向。此外，也將針對客戶特定要求開發客製化的保護方案。