智能手機省電秘訣：看如何從設計源頭來(lái)降低功耗

　　圖17：以MEMS快門(mén)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(mén)、采用RGB三色LED的背照燈、TFT、反射板及玻璃基板等構成。通過(guò)高速開(kāi)關(guān)MEMS快門(mén)，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(chǎng)商提供技術(shù)授權。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，“是相同性能參數液晶面板的2/3左右”（CMI）?！　?strong>RF電路篇：降低功放耗電量，關(guān)注包絡(luò )跟蹤

　　在用于智能手機通信的無(wú)線(xiàn)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。這是因為，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(zhù)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)放大信號的功率放大器（PA）。在終端和基站處于遠距離等情況下時(shí)，信號峰值會(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電路的對策

　　智能手機的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）由本刊根據澳大利亞新南維爾士大學(xué)和英國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)際輸出信號電力（從輸出信號電力中減去輸入信號電力的值）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方式的智能手機為了能在世界各地使用，標配了國際漫游功能。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)別部件根據支持頻率的數量來(lái)安裝，部件個(gè)數就會(huì )增加，導致安裝面積增大，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(chǎng)商打算在RF電路中以多模和多頻部件的使用為主”（村田制作所執行董事、模塊事業(yè)本部副本部長(cháng)中島規巨）。

　　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(huà)，即使支持的頻帶數增加，安裝面積也不會(huì )增加。（本站根據三菱電機的資料制作）

　　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量越多，功率附加效率越難以提高，二者屬于此消彼長(cháng)（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)注的是對輸入PA的電源電壓進(jìn)行細微控制的“Envelope Tracking（包絡(luò )跟蹤）”。

　　包絡(luò )跟蹤是對PA的電源電壓進(jìn)行極其細微的動(dòng)態(tài)調節的技術(shù)。此前一直利用以發(fā)送信號的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 )跟蹤則追蹤信號振幅（信號電力），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：追蹤信號波形，細微控制電壓

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

　　PA的功率附加效率對電源電壓和發(fā)送電力有依賴(lài)性，因此如果能根據發(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)，彌補了多頻型PA效率降低的缺點(diǎn)。

　　包絡(luò )跟蹤有多種實(shí)現方法，最常用的是從輸入信號波形中提取振幅的形狀，然后將所需的偏置信號輸入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)險企業(yè)開(kāi)發(fā)。