智能手机省电秘诀：看如何从设计源头来降低功耗

Pixtronix已在向奇美电子（CMI）、日立显示器以及三星等知名面板厂商提供技术授权。CMI已公开了5.14英寸的640×480像素试制品，日立显示器也公开了2.5英寸的320×240像素试制品。CMI的试制品耗电量为550mW，"是相同性能参数液晶面板的2/3左右"（CMI）。

　　RF电路篇：降低功放耗电量，关注包络跟踪

　　在用于智能手机通信的无线电路（RF电路）中，旨在降低耗电量的技术开发也十分活跃。这是因为，就峰值功率而言，仅RF电路就会消耗2W左右的电力，所以还存在着很大的削减空间。

　　RF电路中消耗电力最大的是发送部用来放大信号的功率放大器（PA）。在终端和基站处于远距离等情况下时，信号峰值会在瞬间消耗1.5W左右的电力（图18）。因此在RF电路中，如何削减PA的耗电量成了关注的焦点。

　　图18：RF电路的对策

　　智能手机的RF电路中，耗电量最大的是功率放大器（PA）。例如LTE在以23dBm输出时，仅功率放大器就会瞬间消耗1.5W左右的电力（a）。因此，要想降低RF电路的耗电量，提高PA的效率以及通过周边技术降低损耗至关重要（b）。（图18：（a）由本刊根据澳大利亚新南维尔士大学和英国Nujira公司的资料制作）

　　削减耗电量的关键在于提高PA的功率附加效率*和降低周边技术的电力损耗（图18（b））。

　　*功率附加效率（PAE：power added efficiency）＝表示PA的实际输出信号电力（从输出信号电力中减去输入信号电力的值）与电源加载的直流电力的比率。

　　PA的功率附加效率因采用的通信方式而异。比如，用于GSM方式通信电路的PA有望达到50％以上的效率，而用于W-CDMA方式的PA最大为40％左右，至于LTE由于尚未进行充分优化等，最大效率只有35％左右。也就是说，LTE终端中用于PA的输入功率有65％以上被浪费了（化为热量等）。

　　多频阻碍效率提高

　　今后将成为主流的LTE方式智能手机的PA要想提高功率附加效率无比困难。理由在于多频化的推进。

　　LTE方式的智能手机为了能在世界各地使用，标配了国际漫游功能。因此，RF电路必须支持多个频率（多频化）。如果PA和滤波器等RF电路的个别部件根据支持频率的数量来安装，部件个数就会增加，导致安装面积增大，成本也会增加。为了避免这种情况，LTE终端的主流是利用可在一个封装中支持多个频率的多频产品（图19）。"很多终端厂商打算在RF电路中以多模和多频部件的使用为主"（村田制作所执行董事、模块事业本部副本部长中岛规巨）。

　　图19：通过多频产品削减安装面积

　　采用多频型功率放大器（PA）的话，即使支持的频带数增加，安装面积也不会增加。（本站根据三菱电机的资料制作）

　　村田制作所的多频型PA与单一频带（单频）产品相比，不容易提高效率。所支持的放大频带数量越多，功率附加效率越难以提高，二者属于此消彼长（Trade-off）的关系 注1）。

　　注1） 多频型PA一般采用广带型放大电路，与特定频带具备放大特性的单频型相比，效率值容易下降。

　　包络跟踪技术亮相

　　作为提高LTE终端多频型PA效率的技术，备受关注的是对输入PA的电源电压进行细微控制的"Envelope Tracking（包络跟踪）"。

　　包络跟踪是对PA的电源电压进行极其细微的动态调节的技术。此前一直利用以发送信号的1个时隙为单位切换PA电源电压的方法"Average Power Tracking"。而包络跟踪则追踪信号振幅（信号电力），以更小的时隙切换电源电压，由此在输出时会选择效率最高的电源电压进行发送（图20）。

　　图20：追踪信号波形，细微控制电压

　　无电压控制、Average Power Tracking以及Envelope Tracking时的时间轴信号波形示意图。粉线表示电压值水平，粉色区域表示发热（多余的电力消耗）。（图由本刊根据Nujira公司的资料制作）

　　PA的功率附加效率对电源电压和发送电力有依赖性，因此如果能根据发送电力切换电源电压，在理想状态下能一直选择最大效率点，可以减少多余的电力消耗。通过组合使用该技术，弥补了多频型PA效率降低的缺点。

　　包络跟踪有多种实现方法，最常用的是从输入信号波形中提取振幅的形状，然后将所需的偏置信号输入PA的方法（图21）。此时采用的旨在加载最佳偏压的控制IC由欧美风险企业开发。

　　图21：包络跟踪的控制电路

　　从输入信号波形生成偏置信号波形，利用偏置信号波形对输入功率放大器（PA）的电源电压进行微细控制。根据PA的输出改变电源电压，由此能以最高效率的电压驱动。（图由本刊根据三菱电机的资料制作）

　　大幅削减耗电量

例如，如果使用英国Nujira公司供货的包络跟踪用控制IC，耗电量可