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智慧管理电源 手持式装置更来电
[作者 王明德]   2019年04月15日 星期一 浏览人次: [3141]


图1 : (source: Siemens - Global)
图1 : (source: Siemens - Global)

手持式装置向来以消费性产品居多,例如智慧手机、平板电脑等,工业电脑以往均为制造现场所用,较少设计成手持式,不过这几年工业电脑触角快速往外延伸,工厂以外的各种垂直市场需求不一,手持式设计也开始成为工业电脑厂商必须面对的课题之一。手持式装置必须便於携带,因此特点是体积小、待机时间必须长,但却又无法随时充电,在此情况下,电源管理相当重要。


或许有人认为,现在消费性手持式产品如手机等,都已发展多时,电源管理等相关技术都已成熟,系统整合厂商大可直接套用,不必请工业电脑厂商另行设计。这种看法只对了一半,现在工业电脑厂商针对手持式装置的电源管理,的确是用了消费性产品的电源技术,不过仅止於部份。消费性产品以手机为例,现在手机的功能多元,除了通话以外,还有拍照、上网、导航等多种系统,这些次系统的电源需求不一,设计者必须在有限的电源中,做出妥善的分配与控制。工业电脑的手持式装置则是功能单一,不必针对不同次系统进行复杂设计,但必须针对各种差异性极大的垂直产业需求进行客制化设计。


电源管理三步骤

工业电脑的手持式装置电源管理方案相当多,主要着重面向有三,包括进阶软硬体节电设计、亮度控制、智慧型电池。


在进阶软硬体节电设计方面,现在各处理器厂商都针对手持式装置推出对应CPU,不但大幅降低了产品功耗,其晶片组设计也相当得当,系统会在不用电时进入休眠状态,让CPU可以不必全速运作,有助於功耗的降低。


这对於一般消费性产品已然足够,不过对部份系统整合业者来说仍觉不足。在某些应用中,对低耗电的需求会超过效能,这些应用会希??耗电更低,针对这类需求,从BIOS与OS着手,可让功耗低上数瓦。



图2 : 工业电脑的手持式装置必须针对各种差异性极大的垂直产业需求进行客制化设计。(source: www.carousel.eu)
图2 : 工业电脑的手持式装置必须针对各种差异性极大的垂直产业需求进行客制化设计。(source: www.carousel.eu)

另外,在硬体规格上做取舍也是降低耗电的方法之一,一般晶片组都会将多功能等设计进去,但在部份垂直产业应用中,这些不需要的功能虽可移除,不过如果不专精,所耗费的时间跟心力都会相当高。而在板卡设计初期与客户沟通,可针对客户需求设计出规格适当的产品,此外也可在系统中提供API,将API设计成标准介面,让系统整合厂商可以自行降压。


在亮度控制部份,LCD结构中,背光负责提供光源,因此耗电最凶,一般多针对LCD的背光进行调节,这并非新技术。不过,LCD的驱动IC都是面板厂在制造时即已内建,并设定好叁数,要自行调整难度相当高,而即便调整好,一旦系统更换面板或应用程式时,所有的工作又必须再来一次。


这方面可将控制介面做在BIOS,在软体上开一个介面给系统整合厂商,系统厂商可透过此一介面设计指令来更新韧体,且此一介面为统一标准,不会因为系统不同或人员异动,无法持续更新。


Smart Battery 充放电有技巧

以往这类API都设计在软体中,且介面不一,建置在软体中,容易因当机机率高,而造成系统停摆;介面不统一,则会因为应用程式更换,而必须重复更新、链结,徒然增加人力的负荷,後来已有厂商推出对应的作法。


其作法是在板卡的IC中内建各种控制源(包括亮度控制),让系统厂商从标准API中设计、控制、更新指令,如此一来,不但系统在设计初期难度降低,中期的整合与後期的维修,也都更为容易。


与前面两种作法相异,後期也有厂商推出不在系统面进行的作法,直接针对电池进行管理,这种智慧型电池可分为三部份,一是电池本身,二是智慧型充电装置,三是电池寿命的管理机制。


电池方面,现在的手持式装置多采用锂电池,Cell数从2个到4个不等,厂商将其匹配成为一组电池。智慧型电池会有第一层保护,电池本身会有警告设计,当电池过度充放电,相关讯息会显露出来,通知使用者注意,避免危险发生,智慧充电器是第二层保护功能。


由於电池的寿命决定於充电次数,一般而言,充电到达300次,会造成80%的损耗,到达500次就会失效。透过此类设计,使用者可自行决定电池的充电启动时间,也就是当到达所设定的电量时,充电器才会启动让电池充电,避免电量稍微降低时系统就自动充电,进而降低电池寿命。



图3 : 手持式装置体积小、待机时间必须长,但却又无法随时充电,在此情况下,电源管理相当重要。(source: NXP)
图3 : 手持式装置体积小、待机时间必须长,但却又无法随时充电,在此情况下,电源管理相当重要。(source: NXP)

另外,智慧电池设计也可针对RAM设定备援控管,在一般状况下,系统在休眠时会将资料载入RAM进行储存,不过RAM属於挥发性记忆体,一旦停电内存的资料就会随之消失。智慧电池系统可侦测RAM的状况,若设定系统的RAM没电,资料会自动转入另一部位的RAM,以避免硬碟中的资料遗失。


服务更趋完善 竞争优势倍增

充放次数决定电池寿命,电池寿命管理主要功能,是记录充放电次数,接着推算出电池寿命,并将讯息告知使用者,避免设备无预警停机,造成系统运作停摆,产生重大损失,从这三项降低手持式设备功耗的作法,可以看出工业电脑厂商市场定位的改变,业者必须不断将服务往前延伸。


由於台湾市场不大,系统整合厂商的规模都相当有限,许多专案囿於资源有限无法进行,必须请工业电脑厂商在板卡设计时建入。然而客户需求不同,单一设计无法因应所有客户,每次都必须重新来过,因此汇整长期经验心得,设计出功能齐全、介面标准的服务,对系统整合厂商来说不但实用而且贴心。


尤其是像非消费性手持式设备的电源设计,在工业电脑领域才算刚起步,系统整合厂商的资源与经验都相当有限,透过相关设计,系统厂商无论是心力资源或设计时间都大幅缩短,降低系统厂商与使用者的设计与使用难度,让竞争上优势倍增,进而达到节能需求。


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