可攜式裝置的電源效率設計規劃

近年在可攜式裝置的運算效能要求持續攀高，目前以行動電話應用來說，Android手機都要使用到超過1GHz的處理器，而加上3.5~4吋的大型面板與整合無線上網應用，若以行動電話至少需要達到長時間待機與超過4~5小時的通話應用，各種應用均考驗著行動電話的電源設計極限，如何從系統架構、記憶體、無線傳輸功能各部分考量最佳化設計，已經成為行動裝置重要的設計關鍵...

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可攜式裝置在近來的發展趨勢，不只是受到iPad和iPhone 4G挑戰，使用者對於裝置的多媒體應用效果要求越來越多，而原有的選單式介面還要如同Apple的裝置朝多媒體化的操作UI發展，這些視覺化的效果都必須仰賴大量的處理效能堆砌，提升處理效能除了關鍵的中央處理器必須提升運作效能外，周邊的記憶體、匯流排、次級儲存裝置都必須一併升級，此形成整體的系統功耗勢必提高，考驗電源的整體規劃設計能力。

新一代的裝置也不再僅限於單純多媒體運算或應用，在熱門的iPad或iPhone 4G，其關鍵應用都以整合Wi-Fi或是3G無線行動上網技術為主，達到裝置可隨時取得網際網路的雲端運算或儲存資源。此趨勢也造成裝置的系統功耗一大部分也會用於射頻元件的應用方面，射頻傳輸用量增加，也會持續考驗電力系統的容量設計。

通訊結合多媒體 持續考驗電源設計

以iPhone 4G最熱門的新增功能透過無線技術進行視訊對話應用為例，系統運算必須同時負荷視訊捕捉、視訊即時H.264硬體壓縮、同步音訊/視訊處理與傳輸，與透過射頻晶片利用Wi-Fi傳輸把音訊/視訊資料傳送給另一通話者，而操作的同時系統還必須維持本機的操作UI豐富的多媒體效果，若是採有限的電池供電系統，若無針對各個關鍵的技術環節進行電源設計最佳化，可能有限的電池電力只能維持20~30分鐘運行，但這麼短的持續使用時間絕對無法讓商品順利上市。

一般採取單晶片的系統，若要讓整體功耗降低，可透過動態電壓與頻率調整，達到管理功耗的目的，例如，透過調降工作頻率的方式讓元件可在低電壓模式運行，但對於單晶片系統來說，降低功耗的目的也同時必須接受系統效能降低的問題，但對於越顯繁複的多媒體應用來說，降低效能也會同時影響行動裝置的操作體驗。如何在效能與功耗達到最佳化平衡呢？比較可行的方式是透過可控制晶片功能單元的功耗元件，在運行中由系統確認工作模式，將次要功能區塊採低功耗、低時脈運作，或是乾脆透過分散的元件而不導入單晶片解決方案。

單晶片架構可簡化設計 需輔以節能設計方案

但問題又來了，不採取單晶片解決方案勢必又會造成PCB布局過於繁複、密集，使PCB成本上揚，此外，單晶片的單位成本比多晶片解決方案來得便宜，而且元件尺寸與布線複雜度相對較小，已經成為多數行動裝置樂於採行的方案，多晶片方案肯定不具開發效益。目前主流的單晶片解決方案，可針對晶片內的多媒體加速器、運算處理核心、與各功能單元，進行動態功率調整，開發相關產品時是相當值得考量的解決方案。而且，利用單晶片內建的功能單元功率管理技術，會比開發者自行調整各個單元的時脈、電壓與加諸獨立電源管理機制要單純許多。

透過設計模型分析 找出最佳化的電源配置參數

實際的設計案例中，為了理解裝置的使用狀況與最佳化的電源模式，開發者必須建置一測試模型，在模型中加諸各種操作狀態與情境，透過使用狀態的處理器運作工作量、資料傳輸頻繁度等細部資料進行彙整，歸納出幾種最佳化的工作模式，而在對應的工作模式中再於模型中實地驗證、確認與修正，得到該裝置可用的最佳電源設置組態。

當然，參考設計模型的效能與功耗表現當然無法直接反應產品實務設計中的最終成果，但測試的過程只要參考模型建置能儘可能考量可能變數，實驗結果會更趨近於真實，至於當裝置完成生產前的樣品設計時，也可針對樣品進行相關測試，修正電源管理的細部參考參數，讓裝置的電源系統更趨近最佳化設計。

除了透過核心晶片與功能單元的切換，建構的電源管理系統外，其實裝置本身也有許多元件本身可再針對電源應用進行最佳化，例如，當使用者進行視訊對談，通常只會應用到LCD側的CAM裝置，置於機背的拍照元件，在視訊對談狀態是處於閒置，若能透過電源管理機制把機背攝影機相關電路的供電進一步採取節電設計手段，自然可以省掉更多不必要的功耗。

獨立模組或元件的節電設計，可透過可調整的電源控制晶片進行PCB的區域電力供應調控，但當使用者切割的電源控制區塊越細密，這表示電源控制晶片的應用成本將上揚，導入節電設計的效益自然會必稀釋，另外，區域節電設計的設計方案中，還必須考量喚醒或是讓區域電路回復正常運作狀態的恢復時間，若模組進入深度睡眠模式，自然設備喚醒也會花較多的時間進行，而周邊功能模組的喚醒、運行也必須考量裝置的實用性，而非全以節省功耗為唯一考量。

而電源管理在行動裝置持續繁複的運作模式與元件型態發展下，相關設計只會日趨複雜繁複，而每一件設計案也不可能全部都用一套測試模擬機制進行驗證，實際設計樣品階段的驗證與參數修改，反而是相當關鍵的設計參考與依據，但若開發者未能將電源系統採更完善的設計，這會讓後期的產品調整與參數變更，顯得更為複雜，更可能產生其他影響裝置運行的錯誤狀況。

比較務實的作法，是在開發階段即針對電源系統設置一修改介面，此介面可以與系統單晶片、裝置模組、電源晶片與電源系統，進行相關資源整合與參數變更的統一介面設計，在測試模型與樣品階段，都可在此設計介面中進行電源相關的參數調修，此可避免因為測試人員的試誤造成更多系統問題，也能保有最靈活電源控制機制與參數調整。