手机省电模式物理原理电功率_智能手机省电秘诀：看如何从设计源头来降低功耗

越来越多的用户对智能手机的“电池耐用性”不满意。虽然智能手机有望进一步高性能化，但电池容量的增加却无法预料。绝不放过任何可能，彻底降低功耗的挑战已经开始。

你的智能手机电池能用一天吗？

智能手机彻底成为了手机的主角。随着智能手机的顺利普及，用户对一个问题的不满也爆发了。这就是电池的电量下降过快，意味着“电池耐久性”很差。智能手机用户对电池耐用性非常不满意。

手机厂商也开始有了危机感。一位来自手机制造商的技术人员表示，“我们最初专注于推出智能手机产品，但在过去的一年里，我们优先考虑提高电池的耐用性。”在零部件厂商的帮助下，手机厂商正在采取措施兼顾手机的高性能和低功耗。

而且，还有更大的障碍等待着手机厂商和元器件厂商。据估计，未来智能手机的性能提升将超过电池容量的增加(图1)，因此迫切需要进一步推广低功耗措施。

图1:电池容量和性能的差距逐渐拉大。

以后智能手机操作的处理会更加复杂，但是充电电池的容量是无望增加的。需要通过降低废功耗和提高处理的功率效率来降低性能提升带来的功耗。智能手机的耗电量大幅增加。

智能手机的电池耐用性已经成为一个问题，因为前者的功耗与传统手机相比显著增加。大多数智能手机用户使用超过4英寸的大显示屏，以便浏览个人电脑的大量数据网站。此外，随着智能手机的功能越来越方便，用户花费越来越多的时间来操作它们。

传统手机的充电电池容量在800mAh左右。由于大屏幕显示，智能手机的电池容量增加到了1500mAh左右。尽管如此，用户还是觉得“电池没用。”即使现有电池容量增加近3倍，也无法满足普通智能手机用户一天的用电量(图2)。

图2:智能手机的耗电量逐渐增加。

图为澳大利亚研究机构NICTA的R&D团队获得的智能手机功耗分析结果。对于谷歌的“Nexus One”，在各种自我设定的状态下测量了平均功耗。

重视这一问题的手机厂商开始力推“省电”功能，以延长智能手机的续航时间。例如，NEC卡西欧移动通信公司、夏普移动通信公司和松下移动通信公司都在其智能手机中配备了名为“环保模式”、“环保技能”和“环保导航”的省电模式。

这些省电功能允许用户简单地进行旨在降低功耗的设置，例如关闭无线局域网和蓝牙等通信功能，或者降低显示屏的亮度。它还配备了根据时间和剩余电池电量自动更改设置的功能。

夏普的智能手机还配备了“节能待机”功能，可以减少屏幕关闭时的功耗(图3)。夏普通信系统事业部全球营销中心总监兼产品企划部长河内彦(Hanoi Yan)表示，“24小时中，屏幕关闭20小时左右。在这种状态下减少后台处理动作，不会影响手机的可用性。”所以手机在关屏时会自动停止运行一些后台处理。

图3:手机制造商配备了可以减少无用功耗的应用程序。

夏普2012年2月上市的“AQUOS PHONE 104SH”等机型，都配备了“环保技能设置”的应用，可以轻松设置省电设置(A)。为了降低屏幕关闭时的耗电量，还配备了“节能待机”f

手机厂商一直致力于在用户没有察觉的情况下，在前期降低各种元器件的功耗。在应用程序处理领域，“我们一直致力于如何更好地利用处理器和存储器的省电机制”，NEC卡西欧移动通信公司商品开发本部第一硬件设计部高级专家Hideo Hamaki表示。包括根据处理负载改变CPU核心的电源电压和工作频率的机制，以及根据不同范围停止向存储器供电的机制。各大公司都在绞尽脑汁调整这些机构，以便明确在什么条件下，如何使用。

显示屏中引入了可以动态降低背光亮度的技术。比如夏普可以分析图像信号，把握画面的亮度和对比度趋势，从而调整每个像素的亮度成分，降低背光的亮度。背光的亮度最多可以降低50%，而不会降低视觉质量。

对性能的要求是无止境的。

之前一直致力于低功耗的手机厂商和元器件厂商，未来一定有更好的低功耗技术。原因在开头就提到了，因为手机性能的提升很可能大于电池容量的提升。

预计10年后的2022年，智能手机使用的锂离子充电电池的单位体积能量密度只会增加到1.3倍左右。性能提升的需求是无止境的。在新一代智能手机中，估计应用处理将增加CPU和GPU核心数量并提高工作频率，显示器将支持显示屏的大屏幕和高精度精细化，通信将支持LTE(长期演进)等新的无线通信方式(图4)。

图4:计算、显示和通信将继续发展。

图为高端智能手机推出新功能的目标时间。在CPU、GPU等计算部分，显示屏像素、尺寸等显示部分，移动通信、无线局域网等通信部分，估计未来会引入更多优秀的高功能技术。

是放弃提高性能？还是忍受又大又重电池的笨重手机？如果仅仅依靠之前开发的低功耗技术，我们迟早要面对这个选择。其实手机行业已经得出一个测量结果：支持LTE的智能手机电池续航能力低于3G通信(图5)。

图LTE后电池耐久性恶化。

图为2011年下半年以后在美国推出的主要4G(LTE或移动WiMAX)机型和“iPhone 4S”在浏览网页时的连续使用时间。摘自美国网络媒体“Anand Tech”(http://www . Anand Tech . com/)进行的基准测试获得的数据。不要放过小废物

手机厂商和零部件厂商开始意识到，未来电池的耐用性将成为一个大问题。从企业采取的措施可以看出，行业正在从各个角度彻底减少电力的浪费。这种降功率的出发点本身并无新意。但是，和以前完全不同的是，细微之处都不放过。

例如，将一个组件引入的低功耗技术扩展到智能手机中的其他组件，或者更详细地划分控制功率的组件和时间单位。每项低功耗技术的节电效果可能很小，但如果一项一项累积起来，就可以大大降低功耗。

智能手机具有用户购买后可以添加应用软件(以下简称应用)的特性，因此未来应用开发者关注功耗将变得非常重要。九州大学系统LSI研究中心副教授九州健二表示，“对应用进行实际分析后发现，多个部分的特定处理会白白消耗电力。如果应用程序开发人员能够仔细掌握他们开发的应用程序的功耗和细节，他们就可以间接为智能手机的低功耗做出贡献。”。

注3)九州大学LSI研究中心开发出了制作智能手机功耗模型的方法。使用这个m

挑战，彻底实现低功耗，有助于加强手机厂商和元器件厂商的竞争力。对于追求低功耗极限的元器件厂商来说，彻底降低功耗后，不仅智能手机市场的业务会越来越多，还可以借此机会涉足其他需要低功耗的应用领域。

手机厂商方面，只组装标准组件的厂商和注重组件易用性的厂商在电池耐用度这个指标上的差距会越来越明显。原因是单纯靠充电电池的容量和元器件的性能参数难以检测的因素会产生很大的影响。夏普的河内表示，“在如何充分利用零部件的调整部分，整体功耗会有很大变化。能否在不牺牲性能和设计的前提下找到电池容量和功耗的最佳平衡，将是实现手机厂商差异化的重要因素。”

在智能手机领域，处理器、显示器和射频电路都需要兼顾低功耗和高性能。这些产品都在试图通过“动态功率控制”和“混合”来打破目前的僵局。能量密度增长空间有限的可充电电池将开辟新的思路。

未来智能手机要求应用处理、无线通信处理、屏幕显示等所有主要功能都达到高性能。“目前智能手机在正常使用时，应用处理、通信处理和显示所需的功耗各占1/3左右”(某手机公司技术人员)。只降低其中一个的功耗是不可能同时拥有高性能和低功耗的。因此，有必要完全降低各种元件之间的功耗。

在电力的使用和储存方法上，两者都有。

本文将分析执行应用处理和无线通信处理的处理器、显示器和RF电路的未来低功耗技术。同时，还将介绍旨在增加可充电电池容量和提高易用性的技术发展趋势。

处理器需要实现多核CPU和GPU，提高工作频率。未来有望继续提高用电效率，彻底实施动态断电和压频控制，推广混合电路。

大屏幕和高精度显示器不断发展的关键是提高LCD面板背光的利用效率和有机el面板的发光效率。此外，在需要处理多频带无线信号以支持新一代移动通信规范的RF电路方面，根据发送功率的波形精细控制电源电压的“包络跟踪”等技术备受关注。

增加锂离子可充电电池单位体积能量密度的空间有限。目前正在尝试通过内置电池组增加体积，通过快充功能减轻充电工作负担。处理器——完全提高了效率，促进了动态控制。执行应用处理任务的处理器会瞬间消耗1 ~ 2 W的最大功率。在智能手机中，处理器是对电池耐用性和发热影响最大的组件之一。执行用于无线通信发送和接收的信号处理的基带处理LSI也消耗大量功率。

处理器上的负载正在增加。2012年3月，美国谷歌公司将“安卓”应用的容量限制从50MB提高到4GB。未来出现的应用程序将处理更多的数据，并执行更复杂的处理工作。

注1)虽然APK文件的容量仍然限制在50MB以内，但最多只能使用两个最大2GB的扩展文件。

“终端制造商要求‘在维持当前功耗的同时提高性能’(半导体制造商)。为此，处理器需要实现能够轻松处理未来外观并最小化功耗的高级应用。

处理器的低功耗有两个主要方向(图6)。一是提高单元的处理性能(功率效率)

为了降低应用处理器和基带处理LSI的功耗，从两个方向采取了措施。需要通过小型化和低电压来提高电路的功率效率，并根据工作情况彻底控制功率。

最大限度提高能效

为了提高处理器的功率效率，各种半导体制造商致力于半导体的小型化、电路的低电压和减少泄漏。大规模集成电路的动态功耗与工作频率、负载容量和电源电压的平方成正比。最小化这些元件可以用更少的功耗执行相同的处理任务。

半导体的小型化是2012年具有里程碑意义的一年。预计采用32nm/28nm工艺技术制造的产品将会配备智能手机(表1)。虽然泄漏功率容易增加，但是电路的负载能力降低，所以功耗也可以相应降低。几年后22nm/20nm技术的应用也有望利用这一效应。

更高的技术壁垒是低电压。虽然半导体芯片技术已经成功地降低了小型化到90nm的电压，但SRAM的误操作已经成为一个瓶颈，越来越难以实现低电压。目前，用于便携式终端的处理器的标准电压仅下降到大约1.0~1.1V，最低驱动电压下降到大约0.8 ~ 0.9V.因此，必须从根本上改进电路技术。

推动这类研究的是美国的英特尔公司。该公司开发了x86处理器“Claremont”，在阈值电压附近具有最高的功效。这是通过开发一种可以在0.28V V的极低电源电压下正常工作的电路组来实现的，在接近阈值电压的0.45V电源电压下工作时，工作频率为60MHz，最大功率效率为5830MIPS/W(整体功耗为10mW)。在1.2V运行时，最大工作频率为915MHz，电源效率为1240MIPS/W(整体功耗为737mW)。

泄漏功率对策也在进步。

为了提高功率效率，还必须降低泄漏功率。三星galaxy在Exynos处理器上采用32nm工艺制造技术时，推出了高k栅绝缘膜/金属栅(HKMG)。

与未引入HKMG的32nm工艺相比，栅漏电流降低到1/100左右，整体漏电流降低到1/10左右。此外，三星电子还首次采用了基板偏置技术*。目的是根据管芯上漏功率和性能的监测信息，减少制造偏差引起的性能下降和漏功率。

*衬底偏置技术=通过在硅衬底上加载偏置电压来动态控制阈值电压的技术。施加负电压以增加阈值电压，从而暂时抑制漏电流，或者施加正电压以降低阈值电压，从而暂时增加前基板偏压的速度。

为了尽可能减少正常处理时不必要的功耗，对策是根据负载改变工作频率和电压DVFS*，以及电路块中的断电和时钟切断操作。处理器最初引入这项技术是为了动态控制功率。通过详细使用这些技术，负载和功耗的趋势基本呈现相同的曲线趋势。

* dvfs(dynamic voltage and frequency scaling)=在LSI中，根据处理负载动态控制电源电压和工作频率，从而降低功耗。以LSI的形式运行，根据软件指令改变设置。

从细微之处入手，瑞萨手机的做法可谓典型。公司母公司瑞萨电子将DVFS应用于传统手机应用处理和基带处理的“SH-Mobile G”系列集成处理器中的CPU核心，细分了电源域和时钟系统。

另一方面，瑞萨移动为智能手机开发的“MP5232”对CPU核、电源域和时钟系统的工作频率设置做了更细致的划分(图7)。“因为电源开关必须配置，不仅仅是细分的问题。我们想象了智能手机的使用，并找到了最佳分界点”(服部哲俊之，Busin

相比传统手机使用的处理器，瑞萨移动为智能手机开发的“MP5232”可以根据使用情况非常精细地控制功率。CPU内核的工作频率设置，电源域的数量，时钟系统的数量都有了很大的增加。

控制每个CPU内核的频率

高通的“骁龙”系列使用基于多CPU核心的DVFS。当一个内核负载较大时，如果其他内核的负载较小，负载较小的内核的工作频率将会降低(图8)。其他半导体厂商对核心组采用统一DVFS的方法，即根据处理负载改变多个CPU核心的工作频率。

图8:根据多个CPU内核的DVFS

在“骁龙”系列多核产品中，高通根据每个CPU内核动态控制电压和频率DVFS。通过向每个CPU内核提供其他系统的电源和时钟，改善了对处理负载的跟踪。

DVFS by core的方法存在增加电源电路元件的问题，但“这种方法可以避免其他核在单线程处理负载较重的情况下以不必要的高频率运行，我们判断其具有更大的优势”(高通日CDMA技术市场及业务拓展总监许永顺)。除了双核产品，四核产品也采用同样的方法。

DVFS和断电的彻底实现也在基带处理LSI中得到推广。特别是，“在集成处理器中，基带处理单元也很容易对功率进行细微的控制”(高通的苏勇语)。不仅是成本和安装面积，功耗也可能是选择集成处理器的原因。

合理使用不同效率的CPU

未来，处理器将引入的新的低功耗措施之一是电路的“混合”。在智能手机中，“所需的处理动态范围比传统手机大大扩展。未来还会进一步扩大”(瑞萨手机的服部哲)。在处理负荷非常小和非常大的情况下使用功率效率最佳的电路——等对策将得到推进。

混音从耗电多的CPU部分开始。第一个应用是美国NVIDIA在《Tegra 3》中采用的“4加1”技术。这是一种在同一芯片上混合使用LP(低功耗)技术的低功耗CPU内核和使用G(通用)技术的主CPU内核的方法，可以根据负载进行切换(图9)。CPU内核采用相同的微架构。

图9:采用不同制造工艺的安装

采用不同CPU的Nvidia在“Tegra3”中引入了“4加1”技术，可以区分低功耗技术制造的CPU核心和普通技术制造的CPU核心。为了避免在切换点附近频繁切换，采取了预防措施。

“从决定切换到完成切换用时不到2ms，用户应该不会察觉”(英伟达日本公司技术营销工程师张康阳)。但是，如果负载刚好在切换边界附近变化，切换过程可能会频繁进行，因此它配备了在重复切换点的基础上根据实际切换次数调整切换点的学习功能。

通过提炼获得可行的对策

预计在2013年左右实用化的是不同微架构CPU核心的切换方法。英国ARM公司发布了“大。LITTLE”技术，可以使用相同的指令集架构切换CPU内核组(图10)。通过混合为提高最高性能而开发的A15内核和为首先提高功率效率而开发的A7内核，考虑了具有小负载的低功率操作和具有大负载的高性能操作。两个内核在寄存器范围上是有差异的，但是这种差异可以被它们所配备的虚拟支持机制所吸收。在同一管芯上混合具有不同制造工艺的电路会增加掩模的成本。在未来，采用大的制造商的数量。门槛越低越好”(一位半导体制造商的技术人员)。

图10:“大。“很少”在不同架构的CPU之间切换。

ARM正在开发一款“大。LITTLE”技术，可以在兼容指令集的Cortex-A15内核集群和Cortex-A7内核集群之间切换。当处理负载较低时，使用具有高功率效率的A7核心组，当负载较高时，使用每单位频率具有高处理性能的A15核心。

注2)大。点点科技有A15内核和A7内核切换的“任务迁移”模式，同时运行A15内核和A7内核的“MP”模式。MP模式需要扩展OS的调度器，ARM公司面临big的实用化时代。

hybrid的背景是处理器上CPU核的面积比降低。在目前的双核产品中，CPU核的面积只占整体的1 ~ 20%。未来，如果随着半导体的进一步细化，电路面积也出现充裕的空间，那么GPU核等其他电路也有望采用混合结构。显示器——的大屏幕和高精度不断增加功耗，LCD和有机EL都以功耗减半为目标。智能手机配备了比普通手机尺寸更大、精度更高的显示面板，显示面板的功耗也随之增加。现有智能手机配备的显示面板，无论是LCD面板还是有机EL面板，功耗都超过600mW(图11)。有机EL面板全白显示时功耗甚至达到1800mW左右。

图11:高功耗智能手机面板

配备LCD面板或有机EL面板的智能手机耗电量超过600mW。图为终端厂商如何通过实现图像处理来降低功耗。(图中面板功耗是LG display的数据。)

此外，智能手机并不主要用于语音通话，而主要用于网站浏览和邮件收发。这种用法上的变化，让显示面板一直亮着。可以说，一直消耗600mW以上功率的显示面板是智能手机电池续航能力恶化的主要原因。

目前，使用图像处理来降低功耗。

如果只配备一块功耗超过600mW的显示面板，智能手机无法避免电池驱动时间过短的问题。终端制造商现在正通过实施图像处理来降低显示面板的功耗，所述图像处理诸如关于输入图像信号和周围亮度的伽马校正和屏幕亮度控制。

通过图像处理降低显示面板功耗的方法“2008年左右在普通手机上推出，借助显示面板的大屏幕和高精度可以更精细地控制”(NEC卡西欧移动的合并)。

除了图像处理之外，配备有有机EL面板的智能手机还在显示内容方面做出了巨大努力。通过在菜单屏幕上显示黑色背景和白色字符，减少了白色显示在整个屏幕上所占的面积。可以说这是在全白显示(NEC卡西欧移动的合并)时高功耗的“有机EL面板机型的必要处理”。

高精度和精细化成为瓶颈。

虽然终端厂商采取了措施，但据说在浏览网站时，显示面板的耗电量“仍占整个智能手机的30%左右”(几家终端厂商)。要从根本上解决问题，就要降低显示面板本身的功耗。

但从面板厂商的发展趋势来看，未来智能手机用显示面板的功耗可能会进一步增加。因为液晶面板等等都在不断推动大屏化和高精细化。

目前各终端厂商的高端机型普遍采用300ppi以上分辨率的显示面板(图12)。2012年底到2013年，分辨率可能会提升到近500ppi。随着精细度的提高，单位像素的开口率会降低，功耗会进一步增加。

图12:精细度的提高会降低面板的开孔率。

智能手机配备的液晶面板也在不断推动大屏化和高精密化。随着分辨率的提高，面板的开口率逐渐降低。

每个面板厂商都需要开发高精度、低功耗的面板。虽然进展缓慢，但液晶面板和有机EL面板都已开始采取旨在大幅降低功耗的措施。

各种各样的技术

LCD面板通过控制液晶分子的电压来部分屏蔽背光，从而显示灰度。降低功耗的对策包括提高面板的开口率，降低驱动电压，提高背光光源——白光LED的发光效率，提高光学材料的性能。功耗的降低是这些措施“一点一点积累”的结果(日立显示器注1)。

注1)东芝移动显示器、索尼移动显示器、日立显示器于2012年4月合并为日本显示器，本文使用原公司名称。

现有的智能手机液晶面板采用了多种低功耗技术(图13)。显示模式采用可提高开口率的FFS(边缘场切换)模式*，驱动元件采用高载流子迁移率、小型化的低温多晶硅(LTPS)TFT。光学部分采用了很多可以提高亮度的膜。

*FFS模式=与IPS模式一样，是一种用于横向电场控制的显示技术。与IPS模式不同，像素电极和公共电极沿垂直方向排列。大多数中小型液晶面板采用FFS模式，但它被称为IPS模式。

图13:配备8个白色指示灯

分辨率超过300ppi的LCD面板可以配备多达8个白色led。为了提高背光的利用效率，采用面板技术和光学材料来提高开口率。(图为富士通“Arrows X LTE”配备4.3英寸液晶面板，1280720像素。Fomalhaut技术解决方案协助拆卸)

然而，现有智能手机的LCD面板必须使用最多8个白色led来确保亮度。虽然白光LED的发光效率“预计每年增加约5-10%”(Niya Chemical Industry)，但随着高精度和精细化的发展，增加的发光效率可能会被抵消。只靠改进现有技术，只能提高百分之几，很难从根本上解决问题。

从像素构成开始

在大幅降低功耗方面备受瞩目的液晶技术，就是子像素排列的变化。具体来说，在R(红)G(绿)B(蓝)的子像素中加入没有滤色器(CF)的W(白)，提高面板透过率，降低功耗。虽然这是一项现有技术，但目前将其应用于高精度面板的讨论正在加速。

通过改变子像素排列来降低液晶面板功耗的终端已经问世。那就是2012年2月索尼移动通信在英国发布的智能手机“Xperia P”。这款机型配备了索尼开发的“WhiteMagic”液晶面板(图14)。

图14:RGBW模式下的WhiteMagic

索尼移动通信在其智能手机“Xperia P”上采用了索尼开发的液晶面板“White Magic”(A)。通过在RGB中加入W，功耗比原产品降低50%左右，亮度提高到2倍(b)左右。

WhiteMagic在一个像素上有RGBW的四个子像素。即使背光亮度减半，面板画面依然可以达到和之前产品一样的亮度。它的特点是，如果背光亮度和原装产品一样，画面亮度可以提升到2倍左右。

索尼移动采用WhiteMagic时，调整了输入图像的图像处理。这是因为如果只加W，图像的对比度会降低。索尼移动和索尼在将RGB图像信号转换为RGBW时多次调整图像处理参数。由此，“在室内使用时可以降低耗电量，画面明亮，在室外容易看到”(索尼移动)。

将RGBW分配给两个像素

三星galaxy正在研究“Pentile”模式，该模式也使用RGBW四色子像素，但将它们分配给两个像素。因为一个像素的子像素数量从三个减少到两个，所以更便于提高面板的透过率。虽然被指因像素减少导致画质变差，但这是降低功耗的有效手段。

三星采用Pentile方法试制了10.1英寸、25601600像素的液晶面板。驱动元件是非晶硅TFT，很难小型化，但可以达到299ppi的高分辨率(图15)。最大功耗为3.4W，与RGB三色的10.1英寸1280800像素产品相同CF“计划最早2012年开始量产”(三星)。

图15:通过Pentile方法降低功耗

三星电子正在探索引入“Pentile”模式，在这种模式下，RGBW四色子像素被分配给高清面板中的两个像素。据说在10.1英寸产品的对比中，这样推出的25601600像素产品的功耗与RGB三色子像素的1280800像素产品相同。

关键是提高发光元件的性能。

有机EL面板是自发光器件，元件比液晶面板少。用于智能手机的有机EL面板采用顶部发射结构，从TFT基板的相对侧提取光，因此光不会被TFT阻挡。为了降低功耗，需要提高有机EL元件的内部量子效率和光提取效率。

提高有机EL元件内部量子效率的最有效方法是使用磷光材料。理论上，三重态激发的磷光材料比单重态激发的荧光材料具有更高的内量子效率。目前，R发光材料已经投入实际应用，G发光材料将很快用于智能手机的有机EL面板。然而，由于色纯度和寿命较低，B磷光材料的实际应用还需要一段时间。

注2)为了使磷光材料从三重态发光，应使用昂贵的金属，如Ir(铱)和Pt(铂)。所以存在成本高的问题。九州大学正在开发不含Ir和Pt的发光材料，目标是在几年内投入实际应用。通过将单重态和三重态激发态之间的能量阶差减小到50meV，能量转换为单重态。根据2012年3月发布的开发结果，已经实现了86.5%的高转换效率。

通过使用现有的B荧光材料，提高了内部量子效率(图16)。通过在电子传输层和发光层之间设置“EEL(效率增强层)”层，该公司开发出了超过荧光材料理论极限的B发光元件。“EEL通过将三重态激子在发光元件中保持一定时间，使它们相互碰撞，从而将能量转移到单重态”(熊俊，广广电子材料开发部电子材料中心主任研究员)。从而提高内部量子效率。

图16:功耗降至1/2以下。

通过添加高效层来提高B荧光材料的内部量子效率，通过添加覆盖层来提高光提取效率(A，B)。仿真结果(c)得出4英寸800480像素产品在全白显示下的功耗为644mW，平均为143mW。(图片由本刊根据开发制作信息制作。)

它还设法提高了有机EL元件的光提取效率。通过在发光元件的阴极上设置具有高折射率的有机涂层，由阴极表面上的表面等离子体引起的消光现象被“抑制”(熊俊)。该公司使用B荧光材料和R和G磷光材料，试制了具有EEL和覆盖层的有机EL元件。在800480像素的4英寸产品中使用时，全白显示时预计功耗为644mW，平均为143mW，目前可以降低到1/2以下。

还可以有第三显示元件。

除了LCD面板和有机EL面板，还有其他降低功耗的显示技术。其中之一是美国风险公司Pixtronix开发的MEMS显示器(图17)。

图17:带MEMS快门的显示器

CMI和Hitachi Display使用Pixtronix的独立技术试制了MEMS显示器(A、B)。与液晶面板相比，光利用效率更高(C)。(图片根据Pixtronix的资料。)

Pixtronix开发的MEMS显示技术由MEMS快门、带RGB三基色LED的背光、TFT、反射镜和玻璃基板组成。通过高速打开和关闭MEMS快门，控制LED背光的透射光和自然光的量以显示灰度。透射模式通过顺序驱动RGB三色LED背光来显示颜色。因为不需要像液晶面板一样使用偏振片和CF，所以光利用效率可以提高到60 ~ 80%左右，相比液晶面板的6 ~ 8%有很大提高。

Pixtronix一直向奇美电子(CMI)、日立显示器和三星等知名面板制造商提供技术许可。CMI已经公布了5.14英寸640480像素的样机，日立显示器也公布了2.5英寸320240像素的样机。CMI原型机的功耗为550mW，“约为同等性能参数下LCD面板的2/3”(CMI)。射频电路：降低功放功耗，注意包络跟踪。

在用于智能手机通信的无线电路(RF电路)中，旨在降低功耗的技术开发也非常活跃。这是因为，就峰值功率而言，只有射频电路会消耗大约2W的功率，所以还有很大的降低空间。

发射机用来放大信号的功率放大器(PA)在RF电路中消耗最多的功率。当终端和基站距离较远时，信号峰值瞬间会消耗1.5W左右的功率(图18)。因此，在射频电路中，如何降低功率放大器的功耗成为人们关注的焦点。

图18:射频电路的对策

在智能手机的射频电路中，功率放大器(PA)消耗的功率最大。比如LTE的输出为23dBm时，仅功放一项，瞬间就要消耗1.5W左右的功率(A)。因此，为了降低射频电路的功耗，通过外围技术(B)提高PA的效率，降低损耗是非常重要的。(图18: (a)本刊根据澳大利亚新南威尔士大学和英国努吉拉公司的数据制作)

降低功耗的关键在于提高PA的功率附加效率，降低外围技术的功耗(图18(b))。

*功率附加效率(PAE)=表示PA的实际输出信号功率(从输出信号功率中减去输入信号功率的值)与电源加载的DC功率之比。

PA的功率附加效率随所采用的通信模式而变化。例如，GSM通信电路中使用的PA有望达到50%以上的效率，而W-CDMA模式中使用的PA最高约为40%。至于LTE，因为没有完全优化，最大效率只有35%左右。也就是说，LTE终端中用于PA的超过65%的输入功率被浪费(转化为热量等。).

多频阻塞效率改进

对于未来将成为LTE智能手机主流的PA来说，提高功率附加效率是极其困难的。原因在于多频的推动。

为了能在世界各地使用，LTE智能手机标配了国际漫游功能。因此，射频电路必须支持多种频率(多频)。如果根据支持频率的数量来安装诸如PA和滤波器之类的RF电路的单个组件，则组件的数量将会增加，从而导致安装面积和成本的增加。为了避免这种情况，LTE终端的主流是使用一个套餐可以支持多个频率的多频产品(图19)。“许多终端厂商打算主要在射频电路中使用多模多频元件”(村田制作所执行董事、模块事业本部复制部长中岛贵举)。

图19:通过多频产品减少安装面积

如果使用多频功率放大器(PA)，即使支持的频段数量增加，安装面积也不会增加。(本站根据三菱电机的资料制作)

相比于单频段(单频)产品，村田的多频PA不易提高效率。支持的放大频段越多，功率附加效率越难提高，属于权衡关系。

注1)多频PA一般采用宽带放大电路，与在特定频段具有放大特性的单频PA相比，效率值容易下降。

恩韦洛

包络跟踪是一种动态调整PA电源电压的技术。以前，已经使用“平均功率跟踪”的方法来以一个时隙为单位切换PA的电源电压，用于发送信号。包络跟踪跟踪信号幅度(信号功率)，并在较小的时隙内切换电源电压，以便在输出时选择最高效的电源电压进行传输(图20)。

图20:跟踪信号波形并精确控制电压。

无电压控制、平均功率跟踪和包络跟踪的时间轴信号波形示意图。粉色线表示电压水平，粉色区域表示发热(过度耗电)。(图片由本刊根据努吉拉公司资料制作。)

PA的功率附加效率取决于电源电压和发射功率，所以如果能根据发射功率切换电源电压，就能始终在理想状态下选择最大效率点，减少冗余功耗。通过这种技术的组合使用，弥补了多频功放效率低的缺点。

实现包络跟踪的方法有很多。最常见的方法是从输入信号波形中提取幅度形状，然后将所需的偏置信号输入PA(图21)。此时，设计用于加载最佳偏置电压的控制IC由欧美风险企业开发。

图21:包络跟踪控制电路

偏置信号波形由输入信号波形产生，并且输入功率放大器(PA)的电源电压由偏置信号波形精细控制。电源电压根据PA的输出而变化，因此可以用最高效率的电压驱动。(图片由本刊根据三菱电机的资料制作。)

大幅降低功耗

比如使用英国Nujira公司提供的包络跟踪控制IC，比不使用时功耗可降低40% ~ 55%(图22)。“与W-CDMA相比，大动态范围的LTE可以进一步降低功耗”(努吉拉公司现场应用经理Tamas Vlasits)。

图22:包络跟踪的效果

Nujira的包络跟踪控制IC“NCT-l 1100”封装在一个4mm见方的BGA (A)中。W-CDMA、HSUPA和LTE射频电路在23dBm输出时的功耗。包络跟踪技术的引入大大降低了PA的功耗。LTE可以降低55%的功耗(B)。(图片由本刊根据努吉拉公司资料制作。)

用于包络跟踪的控制IC插在PA和RF收发器IC(或基带处理LSI)之间使用。控制IC通过符合MIPI(移动工业处理器接口)标准的芯片间接口进行控制。

注2) MIPI联盟于2011年11月成立了一个工作组，负责制定信封跟踪的特殊接口标准。用于从RF收发器IC或基带处理LSI发送和接收包络信号的信号线标准是预先确定的。

另一家在包络跟踪控制IC领域更受关注的公司是美国Quantum。该公司将自主开发的技术命名为“qBoost”，并计划与PA制造商合作，扩大该技术的应用范围。据该公司称，通过使用这项技术，电力的额外效率可以提高到50%左右。

Quantance与三菱电机有合作。前不久三菱电机发布了一款只有3mm见方的PA，可以放大6个波段。设想将其与包络跟踪技术结合使用。组合使用可确保最高效率为40%(图23)。

图23:支持6个频段，确保40%的效率。

三菱电机开发的GaAs PA尺寸只有3mm3mm1mm(a)。在1.7G~2GHz的六个频段内，功率的附加效率最高可达40% (b)。(图片由本刊根据三菱电机的资料制作。)

未来计划配备射频IC。

包络跟踪技术不仅可以得到上述专用控制IC的支持，而且在不久的将来还可以嵌入到射频收发IC中。富士通半导体计划于2012年5月初提供配备了包络跟踪控制功能的多模式和多频RF收发器IC“MB 86 L 11A”的样品。这是业界首款具有包络跟踪控制功能的RF收发器IC。此外，从事智能手机芯片组业务的大型企业，如高通，似乎

然而，包络跟踪也有问题。由于电源电压的高速切换，信号的失真特性将恶化，相邻通道的泄漏功耗可能增加。作为解决方案，瑞萨电子通过预先使传输信号失真(预失真)来减少恶化，瑞萨电子认为“有必要探索类似的补偿技术”。

提高组件本身的效率。

一些制造商打算通过改善PA组件本身的特性来提高效率，从而降低功耗。例如，2012年2月底，RF Micro Devices发布了PA“超高效率PA”，可以将LTE传输的功率附加效率提高到42 ~ 44%左右。

注3)可用于放大W-CDMA的频段为1、2、3、4、5、8，LTE的频段为4、7、1: 001。

此外，富士通半导体于2011年底开始供应多频PA，在PA组件中使用与富士通研究所共同开发的高耐压晶体管“EBV-Transistor”提高了效率。这是一款采用CMOS工艺设计的PA，可以通过一个封装支持W-CDMA和HSPA使用的三个频段的放大(图24)。据富士通半导体介绍，在高频使用中低输出时，效率非常高。

图24:富士通的CMOS PA支持3个频段。

富士通半导体开发的CMOS PA使用一个芯片来放大频带(2.1 GHz频带)、 (850 MHz频带)和 (1.7 GHz频带)中的W-CDMA/HSPA。尺寸为4 mm 3.5 mm 0.7 mm。

减少反射波并降低功耗

另外，也有通过引入射频电路的外围技术而不是在PA上下功夫来降低功耗的情况，比如插入隔离器来降低反射波。

隔离器是只传递单向信号的元件。如果在PA和天线之间插入隔离器，可以防止信号从天线侧反向进入。

最近智能手机天线一般都安装在机身侧面，随着用户握持方式的不同，天线阻抗会有很大变化。所以射频发射机会产生阻抗不匹配，导致PA的输出信号作为反射波返回，恶化信噪比。

反射越多，PA的发射功率越大，会导致功耗增加。插入隔离器可以消除反射波，从而降低功耗。

隔离器的使用将导致元件数量的增加。所以大部分海外终端厂商都不愿意采用。然而，开发者预计，随着对降低射频电路功耗的日益关注，海外终端制造商的数量也将增加。例如，隔离器开发企业之一的村田制作所开发了一种PA模块，将PA、滤波器和隔离器(稳定器)集成在一个封装中，并已开始供货(图25)。该公司通过整合缩小了产品规模，并利用这一优势积极向日本国内外的终端厂商推销。

图25:隔离器内置PA模块

村田制作所从2011年下半年开始批量生产将PA、SAW滤波器和隔离器(稳定器)封装在一个封装中的模块(A)。支持多频段信号放大。外形尺寸为6.6毫米3.8毫米1.0毫米(b)。