多媒體應用大幅增加手機耗電，為了延長使用時間，電池業者致力提供更低放電電壓的新技術，例如採用新陰極材料與新陽極材料的鋰電池。然而低放電電壓電池在手機上卻尚未被大量採用，主因在於部分零件無法搭配低電壓使用，例如HBT射頻功率放大器技術必須使用3.0伏特以上電壓。目前有許多新技術正被用來在低電壓直流電源上取得最高的線性射頻功率輸出，例如E-pHEMT放大器可在低達1.5伏特電壓維持效能表現。
多媒體應用大幅增加手機耗電，為了延長使用時間，電池業者致力提供更低放電電壓的新技術，例如採用新陰極材料與新陽極材料的鋰電池。然而低放電電壓電池在手機上卻尚未被大量採用，主因在於部分零件無法搭配低電壓使用，例如HBT射頻功率放大器技術必須使用3.0伏特以上電壓。目前有許多新技術正被用來在低電壓直流電源上取得最高的線性射頻功率輸出，例如E-pHEMT放大器可在低達1.5伏特電壓維持效能表現。
過去幾年，電池技術的進步已讓大部分消費者不再須要擔心行動電話的待機或通話時間，假設大部分的人都習慣在睡前進行手機的充電動作，那麼 4～5個小時的通話時間大致上就已經足夠。不過，日前正流行的多媒體應用卻大幅改變對電池的要求，因為現在已經很難找到每天不花上一段時間聆聽音樂的青少年，同時，視訊短片或是時間更長的行動電視的收視，讓電池電量的消耗速度變得更快。
電池科技致力降低放電電壓
為了能夠讓電池技術提供更高的能量密度以及更長的使用時間，全球各地的電池領導供應商無不努力尋求可提供更低放電電壓的其他材料與生產技術。目前的行動電話在設計上大多搭配約3.0～3.5伏特放電電壓的電池，其中鋰離子電池擁有相當卓越的放電特性。
圖1描述各種不同放電情況下的電壓狀況，其中1C代表一小時內將電池容量耗盡的放電電流大小，例如以650毫安培小時(mAh)容量的電池來說，1C的放電電流就是650毫安培。請注意，當電池耗電越快，容量就會降低，以圖1為例，如果以3C的速率放電，鋰離子會在額定容量的90%左右就會耗盡，而電池電壓下降到接近完全放電狀態時的電壓點，通常就稱為斷電電壓(CutoffVoltage)。
事實上，電池供應商已開發出可以改善單位體積/重量的能量密度之陰極與陽極材料，鋰離子電池是目前相當符合小尺寸應用(例如行動電話等) 的最合適產品。因此最近的一些發展都聚焦在加入新的金屬材料，以取得更高陰極化學成分的複雜度。透過改變陰極中的錳或鎳，單位體積的能量密度可以大幅提升，但卻必須付出降低放電電壓的代價，因此接下來的發展，就是用矽取代石墨(碳)陽極，以便儘可能延伸電池效能。
陽極上的改變讓放電特性下滑更快，造成供電電壓更快地下滑，以及單位體積能量密度大幅的進步，圖2與表1描述了這個影響，如果能夠犧牲大約0.6伏特的放電電壓，那麼新的電池就可以提升能量密度達40%。
補充說明，鋰離子電池外的另一種替代品(特別是注重輕量化的應用)為鋰硫電池技術，鋰硫電池由於不使用重金屬，因此比鋰離子電池重量更輕且更加環保。由於具備流體陰極結構，因此鋰硫系統可以提供更高的電流，據測試顯示能夠達到超過300Wh/kg單位重量的能量密度，以及大約 450Wh/liter單位體積的能量密度。鋰硫電池目前以2.1伏特標準電源運作，斷電電壓低於2.0伏特，這項技術的環保特性使得鋰硫電池成為高容量要求應用(例如行動電話)的可行方案。
部分零件未能使用低電壓
但為何行動電話還沒有開始改用這類電池，來取得其所提供的好處？其主要的限制在於部分零件還無法確認能夠搭配更低的電壓，特別是因為目前市場上大量採用異質接面雙載子電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)放大器技術，使得許多系統設計工程師認為射頻功率放大器必須使用3.0伏特甚至更高的電源電壓。
目前大部分的行動電話市場都在手機上使用HBT做為射頻功率放大器，對HBT放大器來說，它會在射極與基極接面加上前向偏壓，並在基極與集極接面加上反向電壓，HBT元件的三明治式三層結構需要3.0伏特的整體電源電壓來讓元件導通，以進行高功率的放大動作，而在較低射頻輸出功率時，這個偏壓可以藉由犧牲可接受範圍的線性度做些微降低。
當市場開始考慮採用低電壓電池時，部分的HBT放大器使用者則開始考慮加入降/升壓的DC/DC轉換器以維持適當的偏壓，無疑地這將會增加成本，並降低整體放大器解決方案的效率。
偏壓控制結構複雜性高
現今的行動電話手機設計中經常使用DC/DC轉換器，並在只需較低射頻功率輸出時降低功率放大器的偏壓，圖3描述增強模式偽形態高電子遷移率電晶體(E- pHEMT)與HBT放大器將偏壓降低所取得的好處，為了能夠在不同輸出功率情況下得到最佳效率，電壓會持續依據預先設定方式進行調整，請注意在兩種情況下都使用相同偏壓調整方式，顯示了E-pHEMT放大器相對於HBT放大器來說擁有更高效率。
放大器通常會在運作時切換到不同的狀態，以便節省功率消耗，許多推出市場的放大器可以讓訊號跳過輸出部分電路，讓放大器的驅動電路部分以更高的功率轉換效率(Power-Added Efficiency, PAE)來直接提供輸出功率，其中一項高效率的設計是由安華高(Avago)開發的專利無切換(Switchless)技術。
圖4顯示切換式放大器的影響，在這個例子中使用無切換架構，代表偏壓在旁路情況下只是簡單地設定為0，並搭配一個特殊的匹配電路讓低耗損的旁路(Bypass)網路，可以讓訊號由驅動電路極直接傳送到天線的連接埠，為了簡化，在中功率與高功率範圍下，偏壓簡單地設定在3.4伏特，而在低功率輸出時則將偏壓設定在更低的固定電壓。因此，持續變化偏壓與切換式放大器的組合可以實現在整個系統的動態運作範圍內，讓PAE達到20～40%範圍的W -CDMA或CDMA功率放大器。
E-pHEMT兼顧在高/低壓之效能
相對於HBT，場效電晶體(FET)元件以不同的原理運作，因此能夠以較低的偏壓運作，E-pHEMT技術則提供了另一個替代選擇，具備高電壓下較佳的效率，在低偏壓下更具吸引力。由於E-pHEMT元件可以在低於2伏特的低偏壓條件下，維持良好的線性度與增益表現，因此可以避免付出降/升壓轉換器的成本與功率耗損，也能在不須加入不必要元件的情況下，提高效率並延長手機通話時間。
圖5顯示E-pHEMT放大器可以在低達1.5伏特，甚至更低的情況下維持可預測且有用的效能表現。圖5中標準的E-pHEMT放大器透過採用標準負載匹配電路與測試波形，來針對不同的偏壓情況測試。
在0.4伏特超低電壓下，設計工程師可以重新調整負載匹配電路，以便讓放大器的效能最佳化，並在低功率輸出時達到20dB的增益。E- pHEMT技術能夠在低偏壓位準時維持高線性度、平坦度，以及可預測的振幅調變(AM/AM)與相位調變(AM/PM)效能。
業界中許多創新做法正被用來在最小可能的直流電源上取得最高的線性射頻功率輸出，當新一代的行動電話開始採用更低的電池電壓時，射頻功率放大器就必須改變設計方向，但得到的結果將為標準手機帶來令人驚喜的效率以及運作時間，讓青少年能夠全天候在手機上觀賞音樂錄影帶，同時藉由新的電池與功率放大器技術，更可能讓他們整夜和朋友通話，而不須擔心電池電量的問題。
(本文作者任職於安華高)
(詳細圖表請見新通訊元件雜誌67期9月號)