‧ 可穿戴設備等智慧終端，續航瓶頸分析與解決方案

來源：《移動通信》作者：王朝暉程貴鋒

1 引言

電池續航是目前智慧終端體驗的最大瓶頸，這是普通消費者與專業人士的共識。過去幾年，智慧手機市場被硬件軍備競賽所籠罩，手機在硬件配置上遵循摩爾定律，但不包括電池技術，續航體驗問題的日益突出，本質上是手機電池需求過快增長，與電池續航技術更新緩慢之間矛盾惡化的結果。

除了智慧手機，智慧可穿戴設備、物聯網IoT等新興智慧終端領域，也面臨著同樣的問題。

體驗痛點意味著市場機遇，在終端硬件競爭進入平穩期後，電池續航能力成為一個重要的焦點，終端產業鏈上下游各方，競相研發低功耗新技術與新方案。本文從產業鏈視角，剖析智慧手機、可穿戴及IoT終端產業鏈的關鍵環節，為解決續航問題正在或者即將開始應用的新技術與新方案。

2 智慧手機續航解決方案

從耗電角度，晶片、顯示螢幕是智慧手機的耗電主體，也是未來器件研發的關注焦點。電池新材質、新技術的應用是續航困境解決的根本。軟硬一體的節電優化、快充則是終端廠商競爭的焦點。

2.1 晶片低功耗設計

作為智慧手機計算處理的耗電大戶，如何降低手機採用的各種晶片的功耗，是降低整機功耗的基礎環節。晶片產業鏈一直在研究，提升性能的同時降低功耗，如何在性能與功耗之間取得平衡，是未來晶片技術發展的焦點之一。

（1）晶片指令集精簡與架構優化

ARM公司處於智慧終端晶片生態鏈的頂端，在成立之初就致力於低功耗設計，為智慧手機設計了ARM精簡指令集（相對複雜指令集）。2011年11月，ARM發佈ARM V8指令集，將手機晶片帶入64位時代。2013年，蘋果首次採用A7處理器，高通、聯發科等廠商也於2014年開始應用。目前採用ARM精簡指令集，和內核的晶片，已經成為手機及其它智慧設備的主流配置。

為解決手機晶片「核戰」帶來的功耗問題，ARM公司推出big LITTLE（大小核）架構，將重效能的「大」核與低功耗的「小」核搭配使用，在滿足手機高性能需求的同時兼顧低功耗。「大」核Cortex-A57重效能，設計主要源自Cortex-A15，但基於ARM所作的優化（如數據預取及增加Registers等），Cortex-A57處理32bit軟件比Cortex-A15快20％至30%。

在實際使用中A57的功耗問題較為突出，不少採用A57內核的晶片出現發熱問題，例如高通驍龍810等，為此，ARM在2015年初發佈優化後的Cortex-A72內核，若採用16nm製程，相比上一代的28製程下的Cortex-A15，性能達到3.5倍，而功耗可降低75%。

「小」核Cortex-A53則在提供足夠的性能下，盡量縮小晶片面積及功耗，沒有採用Cortex-A57較耗電的亂序執行管線設計，而改用簡單按序執行管線設計。Cortex-A53提供與上一代採用ARM v7指令集的Cortex-A9等級的效能，但晶片面積更小，可在同製程下比Cortex-A9縮小40%。如果使用20nm製程的話，面積僅為32nm Cortex-A9的1/4，有助於在降低成本同時降低功耗。

（2）通過製程技術提升降低功耗

相比較指令集和晶片架構設計，晶片製程技術的升級對功耗的降低更加立竿見影，這也是近年來製程技術升級，迭代升級加快的重要推動力。

英特爾、三星和台積電三巨頭處於晶片製造領域的第一方陣。三星的14nm FinFET（Fin Field-Effect Transistor ,鰭式場效晶體管）製程技術，已經量產出貨（三星Exynos 7420晶片），台積電16nm FinFET也將規模量產；蘋果最新的A9處理，將分別採用這兩家最先進的製程技術。

同時，半導體製程從14nm/16nm開始進入3D時代，相比較之前的2D晶體管，3D FinFET具有低功耗、面積小的優點。

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（3）射頻低功耗方案

在降低功耗層面，智慧手機射頻晶片不如主晶片受關注，但降低功耗也一直是主流趨勢。

4G射頻面臨的核心挑戰，是解決服務需求和網路容量爆炸式增長，所需的更多蜂窩頻段（目前全球頻段總數已達到40個）。多家公司推出成套的射頻解決方案，包括整合模組、多模多頻器件、包絡功率追蹤等，高通公司的RF360解決方案[2]是其中的代表。

在功率放大器PA中整合天線開關、支持各種模式和頻段（從GSM之後的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協議中的全部頻段）的組合，支持全球漫遊。包絡功率追蹤器（ET）根據信號的瞬態需求，來調整功率放大器（PA）電源，是傳統平均功率追蹤器（APT）的升級，APT根據功率水平分組，而不是瞬時信號需求來調整功率放大器的供電量。

包絡功率追蹤器與終端調制解調器交互工作，調整傳輸功率以滿足被傳輸內容的瞬時需求，而不是在恆定功率下的長時間間隔後調整，功耗降低最高達20％，發熱降低近30％（基於高通公司的測試和分析）。這延長了電池續航時間，減少了智慧手機超薄機身內部的發熱。

（4）智慧晶片軟硬一體化優化

隨著晶片硬件設計和製程技術的提升，智慧晶片平台應運而生。智慧晶片平台是硬體與軟體一體化方案，將人工智慧、卷積神經網路、大數據等技術應用，到手機晶片平台，將進一步降低晶片功耗。高通最新的驍龍820（明年初上市）即是這樣的有益嘗試。

2.2 顯示螢幕

智慧手機進入大螢幕時代（主流尺寸5寸、5.5寸），螢幕成為手機耗電比例最大的模組。大螢幕、PPI不斷升級帶來的後果，是功耗的顯著提升。

改進螢幕材質是降低螢幕功耗的有效解決方案之一。OLED有機電激發光二極管自發光、無需背光源，可有效降低功耗。IGZO將以往難度極高的銦、鎵、鋅與氧結晶化，實現了全新的原子排列的結晶構造，基於這一獨特的細緻的排列方式，IGZO顯示螢幕具備極強的穩定性。同時，IGZO具有極高的電子遷移率，遷移率越高，電阻率越小，通過相同電流時，功耗也就越小。

對於傳統的LCD顯示螢幕，採用增加面板開口率、降低驅動電壓、提高背照燈光源—白色LED的發光效率，以及提高光學材料性能等方式，通過對輸入影像信號及周圍亮度的伽瑪校正以及畫面亮度控制等影像處理，來降低顯示面板功耗。

另外，可通過軟體降低螢幕解析度、灰度顯示等方式來降低功耗，增加續航能力。

2.3 電池

解決續航問題的根本手段是開源方式，即增加電池容量及發展新型高效電池技術。但近年來電池技術尚無突破性進展，太陽能電池、鎂離子電池、超級電容等電池新材的商用進展並不樂觀，對比而言，鋰離子電池的改進技術，仍是業界的重心和最為現實的解決方案。

當下電池的主流是聚合物鋰電池芯，以石墨作為負極，石墨碳負極電池的能量密度，達到600WH/L差不多已到極限，而引入硅負極材料來提升電池能量密度已是業界公認的方向之一，即以硅碳代替石墨，將石墨負極電池變成硅基負極電池。

目前一般手機廠商的電池能量密度大都在560~580WH/L，熱門機型中，小米note電池容量為3000mAh，能量密度為676.5Wh/L；華為榮耀6 Plus為3600mAh,電池能量密度為595Wh/L。據悉，業界多家手機廠家在新的手機方案中測試650~720WH/L的高密度硅負極電池，如採用純矽負極材料能量密度有望達到900WH/L。

2015年，基於矽負極材料的700WH/L高能量密度電池產品，將實現規模商用。特別需要關注的是，除了能量密度外，安全、膨脹、循環等性能指標，也是高能量密度電池要重點解決的問題。

另外，4.35V高壓電池技術、矽碳陽極技術、奈米陶瓷塗層覆膜技術等，也是鋰離子電池改進的方向。

2.4 快速充電

發展節電技術的同時，快速充電正成為一項可快速大規模應用，和普及的折中方案。從原理上來看，快充的實現，主要通過增加電壓或電流或兩者同時增加來實現。

主流的晶片供應商高通和聯發科，均已發佈快充解決方案，並整合到晶片平台中。在晶片廠商解決方案中，高通的Quick Charge快充方案[3]生態系統最為成熟，已經發展到QuickCharge 2.0，有兩種規格：Class A（5/9/12V）與ClassB（5/9/12/20V）;晶片方面，高通全系列晶片支持。

聯發科Pump Express允許充電器根據電流決定充電所需的初始電壓，由PMIC發出脈衝電流指令通過USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個指令調整輸出電壓，電壓逐漸增加至5V 達到最大充電電流。

快充產業鏈包括協議、適配器（充電IC）、電源管理晶片、晶片平台等。除前述的高通、聯發科外，還有TI的Max Charge、Fairchild的ACCP（Adaptive Charger Communication Protocol）等快充協議及方案。快充協議之間目前還不互通，主流的電源IC廠商產品，均開始支持多種快充協議。

終端廠商中，OPPO的VOOC閃充[5]最具代表性，現已發展到2.0版。VOOC採用降低電壓增大電流的充電方式（5V/4.5A），將充電控制電路從手機側移到適配器側，同時需要一系列專門訂製的配件，包括適配器（新增充電控制電路+智慧MCU控制）、電池（訂製8觸點）、數據線、電路、介面（7pin）等。

從成本角度看，相比普通的充電方案，快充在充電IC、保護電路、電池等方面需要增加成本。VOOC專屬方案成本最高，高通Quick Charge方案次之，聯發科Pump Express則相對比較經濟。

在快速充電體驗方面，終端廠商目前的期望基本上是10分鐘完成30%充電，30分鐘完成70%充電。

2.5 軟硬一體節電技術方案

對智慧手機而言，單個維度或器件的節電遠遠不夠，基於網路、用戶使用行為等方面的軟硬一體節電方案，是產業鏈的重點研究對象。業內正在進行優化方向，包括操作系統層面的資源調度優化、情景感知節電、基站黑名單管理優化等。

操作系統層面的調度優化，主要是基於APP應用行為優化，調度Android系統資源，基於應用層的性能需求進行CPU處理能力（大小核）的智慧調度、動態電源調度管理，以及軟硬一體調度優化等。

基於情景感知的節電方案，能夠有效辨識用戶走路、跑步、駕駛、睡覺等狀態，以便提供針對性省電措施。垂直整合軟件系統，通過調頻管理、LCD背光管理、協議優化、後台應用管理、運行進程管控、外設開關管理等，有效降低整機功耗。

根據用戶所處情景，配合動態調頻、動態降幀、進程冷卻等，可降低整機功耗。情景感知技術需要基於大數據積累進行迭代優化。

基站黑名單管理優化能夠自動偵測網絡環境，減少乒乓切換，降低待機功耗。網路信號的小範圍波動容易引發手機乒乓選網，大量消耗手機電量。通過大量的外場數據為基礎進行建模，建立和優化干擾小區的辨識算法，形成黑名單功耗優化技術。

3 可穿戴及IoT終端續航解決方案分析

如果說智慧手機的續航問題影響的僅僅是用戶體驗，對於手環、智慧手錶、智慧眼鏡等新興的可穿戴及IoT（Internet of things）終端而言，續航問題則是生存問題，在一定程度上決定了該品類的市場前景和空間。

可穿戴及IoT終端最大的瓶頸，是受限於設備尺寸與電池材料的限制，電池容量難以支撐用戶的體驗需求。智慧手機需要處理比較複雜多媒體運算，而可穿戴及IoT終端的功能則一般相對簡單，業界從一開始就採用低功耗技術。

3.1 晶片及傳感器低功耗方案

由於可穿戴及IoT終端所需的計算處理能力相對較低，晶片方案多採用MCU形式，少數如智慧手錶、智慧眼鏡則採用低端的手機晶片處理器。

不管是ARM架構的Cortex M系列（針對不同的應用場景，ARM Cortex M系列又細分為M0-M7）還是MIPS架構的MCU，設計之初面向的就是低功耗領域，單晶片、主頻較低，多數僅有幾十兆赫茲，與動輒8核，上G赫茲的手機晶片相比，天生功耗較低。

可穿戴及IoT終端中採用的傳感器，例如加速計、陀螺儀及其它專業傳感器等本身的功耗較低，主要是與MCU一起進行整體低功耗方案設計，器件本身並未為此進行特別處理。

3.2 無線連接針對性優化設計

車聯網、野外監測等終端需要進行無線通信，但速率、頻次等要求較低，手機上採用的無線模塊如果用在這類終端，則會出現功耗、性能過剩、成本高等問題。面向物聯網終端，3GPP組織在R12中發佈了Cat.0。

為了降低設備複雜性和減小設備成本，Cat.0定義了一系列的簡化方案，主要包括：採用半雙工FDD模式（Half duplex FDD）；減小設備接收帶寬到1.4MHz，當然，也可以擴到20MHz；單接收通路，取消RX分集雙通路；保持低速數據速率。簡化方案不僅降低了速率需求，處理器計算能力和儲存能力也相對降低。在R13版本還會有進一步的優化，比如取消發射分集，不再支持MIMO，支持小於1.4MHz更低的頻寬，支持更低的數據速率等等。

為了省電，3GPP R12採用了PSM（Power Saving Mode，省電模式）方案。如果設備支持PSM，在附著或TAU（Tracking Area Update）過程中，PSM向網路申請一個激活定時器值，當設備從連接狀態轉移到空閒狀態後，該定時器開始運行。當定時器終止時，設備進入省電模式，此時設備不再接收尋呼消息。看起來設備和網路失聯，但設備仍然註冊在網路中。設備將一直保持這種省電模式，直到設備需要主動向網路發送資訊（比如週期性TAU，發送上行數據等）。

3.3 低功耗整體方案

可穿戴及IoT設備產品的解決方案，主要通過低功耗藍牙、低功耗Wi-Fi、低功耗GPS、低功耗的3G/4G模組與MCU（或其它低功耗主控晶片）、傳感器等硬件整合設計的成套方案。針對不同的應用場景，主要晶片方案廠商提供BLE+MCU、Wi-Fi+MCU、GPS+MCU、Zigbee+MCU等低功耗解決方案。在這些無線連接技術中，都要「死磕」功耗這一難題。

3.4 算法優化

可穿戴及IoT終端在硬體低功耗的同時，軟體算法也是降低功耗、優化續航的重要手段。MCU動態休眠算法、計步算法優化、數據交互算法優化等，都可以優化終端功耗。