Емкость аккумуляторов мобильных устройств остается практически неизменной с самого их появления, а функциональность наращивается огромными темпами. Конечно же, это не могло не привести к значительному сокращению продолжительности работы. В то же время, уже разработано множество технологий, благодаря которым время автономной работы не только не уменьшается, но еще и неуклонно растет. О таких технологиях мы вам и хотим рассказать.

Ни для кого не новость, что наибольшей популярностью в мобильном мире сейчас пользуются устройства с мультимедийными возможностями. В то же время грань между классами постепенно стирается — уже недостаточно одного взгляда чтобы определить, что у вас в руках — телефон или смартфон. Телефоны используются не только для передачи голоса и коротких текстовых сообщений, но и играют роль своеобразного мультимедийного центра, что вкупе с практически повсеместным доступом к Интернету обеспечивает высокий уровень мобильности и свободу передвижения, при этом предоставляя пользователям самую свежую информацию. Однако такие условия эксплуатации предъявляют повышенные требования к энергоэффективности устройств. Но благодаря внедрению новых технологических процессов, большей плотности интеграции, поиску новых материалов для аккумуляторов производителям удается наращивать функциональность телефонов, КПК и прочей портативной электроники, удерживая при этом время работы на одном уровне, а иногда даже и увеличивая его.

Мобильная электростанция

Самое простое решение для повышения «живучести» это банальное наращивание емкости аккумулятора, однако, это неминуемо приводит к увеличению массы и габаритов устройства (Кому же хочется носить на спине рюкзак с аккумулятором весом несколько десятков килограммов?). До определенной степени эта проблема решается более плотной упаковкой и эффективным использованием пустого пространства внутри корпуса. Лучше всего это видно на примере литий-ионных аккумуляторов, которые, используя призматическую упаковку, лучше используют внутреннее пространство корпуса. В то же время, цилиндрическая форма является более простой в изготовлении, но оставляет много неиспользуемого места, что в результате ведет к понижению общей емкости аккумуляторной батареи.

Структурная схема цилиндрического и призматического аккумулятора.

На сегодняшний день наибольшее распространение, несмотря на свои недостатки, получили литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, обладающие наибольшей энергетической плотностью. К преимуществам таких батарей относится высокое рабочее напряжение (порядка 3,6 В). Таким образом, для обеспечения энергией нужна лишь одна аккумуляторная банка, а не три, как, например, при использовании никель-металлогидридных элементов питания. В свою очередь, это освобождает дополнительное место и дает возможность простого увеличения емкости путем наращивания количества вещества.

Еще одним огромным преимуществом литий-ионных аккумуляторов является низкий процент саморазряда (порядка 6 % в месяц), в отличие от никель-металлогидридных (30 % в месяц) и никель-кадмиевых (25 % в месяц).

А вот недостатков у таких источников значительно больше. Самый главный — это высокая требовательность к условиям заряда. К счастью, эта проблема была успешно решена путем добавления контролирующих элементов. Так, если, например, никель-металлогидридная батарея состоит лишь из корпуса, уплотнителей и химических веществ, то литий-ионная и литий-полимерная добавляют к этому списку еще и IC-контроллер (контролирует напряжение и ток в каждой банке, предотвращая перезаряд и переразряд путем разрывания электрической цепи), контрольные выключатели (реагируют на сигналы IC-контроллера), температурный предохранитель (предотвращает заряд при перегреве батареи, предназначен для разового использования) и термистор (показывает собственно температуру внутри банки).

Второй главный недостаток — это малое количество циклов заряда/разряда и процесс старения. Так, заряженная на все сто литий-ионная батарея невозвратимо теряет около 20 % своей изначальной емкости при температуре хранения 25 градусов по Цельсию. Эта цифра уменьшается с понижением температуры хранения: при нуле градусов по Цельсию ежегодно теряется всего лишь 6 % емкости.

Примерные характеристики типов аккумуляторов приведены в таблице.

Химический тип

Ni-Cd

Ni-MH

Свинцово-кислотные

Li-ion цилиндрические

Li-ion призматические

Li-Pol

Номинальное напряжение, В

1,2

1,2

2,1

3,6

3,6 / 3,7

3,6

Удельная массовая энергетическая плотность, Вт/кг

50

70

30

80

100—160

140

Удельная объемная энергетическая плотность, Вт/л

150

200

Нет данных

Нет данных

250—360

Нет данных

Количество циклов

1000

1000

Нет данных

500

500

Нет данных

Угроза окружающей среде

Низкая

Средняя

Средняя

Высокая

Высокая

Высокая

Безопасность в эксплуатации

Высокая

Высокая

Средняя

Низкая

Низкая

Низкая

Стоимость

Низкая

Средняя

Низкая

Высокая

Высокая

Высокая

Саморазряд, %/месяц

25—30

30—35

—

6—9

6—9

Нет данных

Эффект памяти

Да

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Тем не менее, в области элементов питания наблюдается развитие, хотя и очень медленное. Многие компании работают над новыми типами зарядных устройств, и некоторые достигли хороших результатов. Так, например, компания NEC ведет разработку ниобиевых и танталовых аккумуляторов, обещающих увеличение удельной энергетической плотности и, как следствие, возрастание емкости аккумуляторов при тех же размерах.

Интеграция компонентов
Схема мобильного процессора. Современный мобильныйCPU включает в себя множество блоков.

Простое увеличение емкости аккумулятора не может удовлетворить все энергетические потребности мультимедийного устройства. Для этого производителям приходится увеличивать плотность размещения компонентов. При этом размеры базовых элементов уменьшаются, а это значит, что они выполняют те же функции, но используют меньше электричества и экономят площадь на плате. При этом на сэкономленное пространство можно поместить дополнительные элементы, что приведет к увеличению функциональности, но снижению энергоэффективности. Например, ядро ARM7 производится по техпроцессу в 25 мкм, а последняя разработка, ядро ARM11 — по нормам 13 мкм техпроцесса. При этом ARM11 потребляет всего лишь 0,6 Вт/МГц.

Экономия электроэнергии, однако, достигается не только за счет более плотной интеграции компонентов. Каждый современный процессор поддерживает технологии по сбережению электроэнергии. Например, отключение неиспользуемых на данный момент блоков процессора или системы в целом, или уменьшение тактовой частоты.

Кроме того, переход на цифровую связь и увеличение количества базовых станций привели к существенному снижению потребляемой телефоном мощности. Так, например, телефоны первого поколения аналоговой связи потребляли для передачи сигнала порядка 600 мВт. А вот сегодняшние модели используют около 10 мА в режиме ожидания и примерно 200 мА в режиме разговора (если поделить емкость аккумулятора на эту цифру, то мы получим около трех часов — средний срок работы мобильного аппарата в режиме разговора).

Портативный монитор
Лист спецификации современногосветодиода. Характеристики.

Добавление мультимедийных функций вызывает необходимость в улучшении качества изображения на экране и увеличении его разрешение. Все это, естественно, приводит к росту нагрузки на аккумулятор и сокращению срока автономной работы. ЖК-дисплей не является монолитным устройством, а состоит из нескольких основных компонентов: LCD-панель, память для кадров, контроллер, подсветка. Все вместе это требует до 60 % от общего потребления электричества, например, при просмотре видео в MPEG-4.

Для того чтобы увеличить время автономной работы, используется несколько методик, как программных так и аппаратных. В качестве программной части выступает технология «переменной частоты точки». Суть ее заключается в том, что частота обновления уменьшается до приемлемого уровня. Например, при просмотре видеофайла с частотой 25 Гц разумным будет уменьшить частоту обновления экрана (около 60 Гц) до этой величины (экономия энергии получается от 28 % до 37 %. Аппаратная методика предлагает обновлять лишь те области экрана, которые требуется. Остальные же должны сохранять заданную ориентацию (экономия от 23 % до 31 %).

Для того, чтобы изображение было хорошо видно, нужна хорошая подсветка. Здесь есть два пути — применение более экономичных светодиодов и автоматическая регулировка уровня подсветки. Пока что автоматическое управление подсветкой не слишком популярно, так как светочувствительные сенсоры являются отдельными устройствами, что ведет к усложнению конструкции и, соответственно , к повышению себестоимости устройства. Однако уже анонсированы экраны со встроенными сенсорами, поэтому в скором времени стоит ожидать появления таких устройств, ведь таким образом можно сэкономить до 60 % энергии.

Все в наших руках 

Не стоит забывать и о том, что мы можем сами приложить руку к экономии энергии. Так, в темное время суток стоит уменьшить уровень подсветки. Кроме того, нужно помнить, что чем реже обновляется изображение на экране, тем меньше расходуется заряд аккумулятора (экономия порядка 12 %). Благоприятно на продолжительность работы телефона действует также расположение аппарата максимально близко к базовой станции, а если при этом еще и не перемещаться, будут вообще идеальные условия для батареи. Ну и самое главное — отключить, если не используются, функции IrDA, Bluetooth (10 мВт) и Wi-Fi (165 мВт).Источник: МабилаАвтор: Евгений Барилюк

Источник