觀察iPad 2縮小體積、維持產品用電時效的設計關鍵

iPad 2厚度較iPad初代更薄，卻能維持相同水準的電池性能，值得深入觀察其設計關鍵。Apple

在現今3C產品持續要求縮小尺寸、減少體積的設計趨勢下，尤其在隨身攜帶型的產品應用方面，也希望利用簡單的可重複充電電池供電，就能達到連續使用數天都不需充電的應用方式，但這類低功耗的電力系統設計，必須在幾nA電流上錙銖必較，這時系統開發者就必須理解整個系統的功能目的、微控制器特性、元件性能，滿足低耗電系統設計的嚴苛要求...

隨著時代進步，消費者對於產品的要求不斷提升，產品設計不但朝著持續縮小化的方向發展，在使用功耗方面，也必須持續壓低電池供電系統的電力使用需求。

近來最熱門的3C商品，應以Apple發表的iPad 2最為熱門，其設計即號稱僅使用以往初代iPad約2/3的機體厚度，原有的iPad一代A1315型鋰電池，規格為3.75V/24.8W，而新的電池是3.8V/25W，容量為6,930mAh，兩者電池差異並不算太大。但iPad 2保有初代iPad具有的連續10小時電力供應，這代表系統開發者必須在不改動原有系統零件需求、維持原設計架構下進行產品體積的厚度縮減，同時兼具電池效能設計。

這部分除必須面對產品機構方面的空間壓縮，關鍵元件本身的縮小化研發設計，也是必要的手段之一，而如何透過系統化的節電設計，如透過電池減量，也是另一個縮小產品體積的思考方向。但開發遭遇的問題是，為了實踐縮減產品厚度的設計目的，同時還要兼顧重量方面的消減，這代表著系統可用的電池數量必須加以限制，卻又會與延續產品一次充電後的可離線使用時間產生設計上的衝突，如何在諸多衝突下取得平衡，達到縮小體積、延長裝置使用時間、維持相對表現更佳的運行效能等目標，遂成為設計上的高難度挑戰。

縮小PCB尺寸 讓電池空間極大化

在進行新產品開發時，找來競爭產品進行拆解、觀察，是系統設計初期常見的逆向工程手法，有助於啟發新系統開發時的設計思維。以iPad 2的產品改版重點觀察，其實在產品厚度已經有1/3縮減、電池體積也遭限制的設計條件下，可以使用的設計資源就會相對被限縮。

原有iPad初代的作法，是利用多層板PCB把電路空間大幅縮減，把電路板面積極度小型化，並設置於主機角落位置，藉此騰出最大的機體內部面積與空間以容納電池，而主機關鍵的網路模組、藍牙模組、外部硬體按鍵/音量按鈕等，僅使用極小的電路板區塊，設置RF晶片，其餘在電路上與主控電路的銜接部分，透過厚度相對較薄、可依機構彈性調整的軟性電路板進行銜接，讓最佔空間的IPS觸控面板與電池擁有最大的設置空間。

擴充電池蓄能水準 提供產品10小時使用性能

在iPad 2的產品進化上，不免俗地採行iPad初代的設計基礎，電路板與必備無線功能亦採行相同方式進行設計，新產品另追加前/後鏡頭設置，但除了前鏡頭採取中央位置設計外，後鏡頭則依照原有的電路板配置方式，但比較前/後鏡頭，前鏡頭搭配FaceTime網路電話應用的功能，其拍攝視訊僅支援VGA/30fps，因此，元件體積本身就較為小巧，新的無AF設計鏡頭多已採行單晶片設計，元件厚度更迷你，置於中央位置並不會造成機構上的限制；而後鏡頭就不同了，因為後鏡頭的拍攝水準達720p/30fps，且具備AF功能，即便採單晶片設計，在元件方面也有一定程度的體積，把體積較大的後鏡頭設於裝置背後的左上側，可避免鏡頭模組限制了電池與面板的設置空間。

除在機構上儘可能增加關鍵元件的空間與設置彈性外，亦可讓機構內部近5成的空間均用於設置電池，加上電池採行高效能的鋰離子電池，可依機構構型採取方形或略微搭配機構的細部設計。有了夠大的電池蓄能奧援，裝置本身要超越同級產品的使用時效這件事，也就更容易達成。

除了儘可能擴充電池蓄能水準外，以量去延長使用時效是一個有效方法，而當空間儘可能擴張仍無法達到目標時，就必須朝關鍵零件縮小化的方向去進行改善。例如，iPad 2能將體積厚度縮減而不影響電池效能的另一關鍵，就是Apple將關鍵的IPS電容觸控面板更進一步減少厚度，甚至將一般LCD面板需要的結構強化框體，部分轉移到主機殼維持強化，但薄型化設計的面板零件在一般產品開發中，必須要有產量方面的資源挹注，才有可能回頭要求零件供貨商，客製小型化的零件支援，這部分的成本追加，必須透過量價制衡，方能維持產品於終端市場的價格競爭力。

採行省電型ARM微處理器 達到超省電的應用設計目的

行動產品要想發揮最大的性能，同時維持最佳的用電效能，其實最大的關鍵在於微控制器。目前多數的行動裝置，只要具備大量運算、軟體運行需求，都已朝向採行ARM架構的高效能、低耗能微控制器平台進行設計思考。

觀察iPad的產品改版設計細節，其自原有的單核心ARM升級至雙核心ARM設計，同時加大主記憶體去達到加速運算並減少Flash資料轉移的頻次，讓iPad 2達到1倍性能提升、9倍繪圖效能提升，但電源耗用卻維持與前代產品相近的設計水準。

除核心微處理器的強化之外，在產品架構與系統軟體端的省電設計考量，也是必要的思考。例如，原有iPad初代的環境光感應器，在實際的省電應用方面，並沒有發揮多大的效益，因為多數用戶仍不喜歡螢幕在使用過程自動調整亮度，影響使用舒適度，往往會將此功能關閉，而iPad 2嘗試將光感應器的功能近一步與IPS面板保護用的SmartCover配件進行功能整合，當使用者把SmartCover蓋上螢幕時，裝置會自動把面板顯示與LED背光關閉，藉此達到省電效果。