智能手机电池对策(一)：设法降低功耗，缓解用户不满
【日经BP社报道】越来越多的用户对智能手机的“电池耐用性”感到不满。虽然智能手机还有望进一步高性能化，但电池容量的增大却无法抱有太大的期待。不放过任何可能性，彻底减少耗电量的挑战已经开始。
你的智能手机电池能用一天吗？
智能手机已经完全成为了手机的主角。估计2011年度智能手机在日本国内的销量将首次超过传统手机 注1）。在智能手机顺利普及的同时，用户对一个问题的不满也爆发了。这就是电池的电量减少得太快了，也就是常说的“电池耐用性”非常差。在日本MMD研究所于2011年10月实施的调查中，四分之三的智能手机用户对电池耐用性“非常不满”或“比较不满”注2）。
注1）日本MM总研于2012年3月13日宣布，预计2011年度（2011年4月～2012年3月）的手机供货量为4190万部，其中智能手机为2340万部（整体的55.8％）。该公司预测，智能手机的供货量比例在2012年度将达到68.7％，2013年度达到75.1％，2014年度达到79.3％，2015年度达到81.9％。
注2）日本MMD研究所于2011年10月6～12日实施了在线调查。有效回答人数为272人。
手机厂商也开始有了危机感。某手机厂商的技术人员表示，“我们最初只是着眼于推出智能手机产品，而近一年来则是将提高电池耐用性放在了优先位置”。手机厂商正在部件厂商的协助下，采取措施兼顾手机的高性能化和低功耗化。
而且，还有更大的障碍在等待着手机厂商和部件厂商。这就是估计今后智能手机的性能提高幅度将超过电池容量的增幅（图1），因而迫切需要进一步推进低功耗措施。
图1：电池容量与性能之间的鸿沟逐渐扩大
智能手机运行的处理今后将更加复杂，而充电电池的容量却无望增加。必须通过减少浪费耗电、提高处理的电力效率等措施，来降低性能提高所带来的耗电量。
智能手机的耗电量显著增加
智能手机的电池耐久性之所以成为一个问题是因为与传统手机相比，前者的耗电量显著增加。智能手机用户大多采用4英寸以上的大尺寸显示屏，以便浏览数据量较多、用于个人电脑的Web网站。而且，随着智能手机的各项功能越来越便利，用户操作的时间也越来越长。
传统手机的充电电池容量在800mAh左右，由于显示屏的大屏幕化，智能手机的电池容量已经增至1500mAh左右。尽管如此，用户仍感觉“电池不经用”。即使将现有的电池容量增加近两倍，也无法满足普通智能手机用户一天消耗的电量（图2）。
图2：智能手机的耗电量逐渐增加
图中是澳大利亚研究机构NICTA的研发小组得出的智能手机耗电量分析结果。针对谷歌的“Nexus One”，在自主设定的多种状态下测量了平均耗电量。
重视这个问题的手机厂商，开始力推延长智能手机电池耐久性的“节电”功能。比如，NEC卡西欧移动通信公司、夏普和松下移动通信公司都各自在智能手机中配备了被分别叫做“环保模式”、“环保技巧”以及“环保导航”的节电模式。
这些节电功能可以让用户简单地进行旨在降低耗电量的设定，比如关闭无线LAN和蓝牙等通信功能，或降低显示屏亮度等。还配备了根据时间和电池剩余电量自动改变设定的功能。
夏普的智能手机还配备了可减少屏幕在关闭状态时所消耗电量的“节能待机”功能（图3）。夏普通信系统业务本部全球营销中心主任兼产品策划部长河内严表示，“在24个小时中，屏幕处于关闭状态的时间大概有20个小时左右。减少该状态下的后台（Background）处理动作，也不会影响手机的易用性”。所以，手机会在屏幕关闭时自动停止运行部分后台处理。
图3：手机厂商配备可减少无用耗电的应用
夏普在2012年2月上市的“AQUOS PHONE 104SH”等机型中配备了“环保技巧设定”应用，可轻松进行节电设定（a）。为了减少屏幕关闭时的耗电量，还配备了可自动停止部分后台处理和通信的“节能待机”功能（b）。
致力于部件的节能
手机厂商一直致力于在不让用户察觉到的前期下，减少各个部件的耗电量。NEC卡西欧移动通信公司商品开发本部第一硬件设计部高级专家并木秀夫表示，在应用处理领域，“我们一直致力于如何才能更好地利用处理器和存储器的节电机构”。包括根据处理负荷改变CPU内核的电源电压和工作频率的机构，以及根据不同范围停止向存储器供电的机构等。各大公司都在绞尽脑汁地对这些机构进行调整，以便明确何种状态下应该如何进行使用。
显示屏中引进了可动态下调背照灯亮度的技术。比如，夏普可以对影像信号进行分析，掌握画面的亮度和对比度趋势，从而调整各个像素的亮度成分，同时降低背照灯的亮度。可以在不降低视觉质量的情况下，将背照灯的亮度最大降低50％。
对性能的要求没有止境
此前一直致力于低功耗化的手机厂商和部件厂商，今后必须具备更为出色的低功耗化技术。原因就是开篇提到的，因为手机性能的提高幅度很可能会大于电池容量的增幅。
智能手机中使用的锂离子充电电池的单位体积能量密度，在10年后的2022年估计也仅会提高到现有的1.3倍左右。而对性能的提高要求则永无止境。在新一代智能手机中，估计应用处理将增加CPU和GPU内核的数量、提高工作频率，显示方面将支持显示屏的大屏幕化和高精细化，通信方面将支持LTE（Long Term Evolution）等新型无线通信方式（图4）。
图4：运算、显示和通信都会不断发展
图中是高端智能手机引进新功能的目标时间。CPU和GPU等运算部分、显示屏的像素和尺寸等显示部分，以及移动通信和无线LAN等通信部分，估计今后都会引进更为出色的高功能技术。
是放弃提高性能？还是忍受配备又大又重电池的厚重手机？如果仅仅依靠此前开发的低功耗化技术，那么迟早有一天会不得不面临这个选择。实际上手机业界已经得出了一个测量结果：支持LTE的智能手机在LTE通信时的电池耐久性低于3G通信时（图5）。
图5：利用LTE后电池耐久性恶化
图中是美国2011年下半年以后上市的主要4G（LTE或移动WiMAX）机型以及“iPhone 4S”，在浏览Web时的连续使用时间。摘自美国在线媒体“AnandTech”（http://www.anandtech.com/）实施的基准测试所获得的数据。
细小浪费都不放过
手机厂商和部件厂商开始意识到电池耐久性会在将来成为一个大问题，从企业采取的各项措施中可以看出的趋势是，业界正在从各个角度彻底削减电力的浪费。这种削减电力的出发点本身并不是什么新颖的东西。不过，与此前截然不同的是细微之处也不放过。
比如，将某个部件引进的低功耗化技术扩展至智能手机内的其他部件，或者将控制电力的部件和时间单位进行更为细致地划分。单看每项低功耗化技术的节电成效也许较小，但一项一项地积累起来，就能大幅削减功耗。
智能手机具有用户购买后可以追加应用软件（以下简称应用）的特点，因此今后让应用开发人员注重耗电量将变得很重要。九州大学系统LSI研究中心副教授久住宪嗣表示，“对应用进行实际分析后，发现了多个部分的特定处理会徒劳消耗电力。如果应用开发人员能够仔细掌握自己所开发应用的耗电量及其详细情况，就可以间接地为智能手机的低功耗化做出贡献”注3）。
注3）九州大学系统LSI研究中心开发出了制作智能手机耗电模型的方法。采用该模型可以根据应用的CPU使用时间、无线通信量、存储量和传输量等信息，推测应用在智能手机上运行时的耗电量。
低功耗化成为厂商形成差异化的因素
挑战并彻底实现低耗电量，有助于强化手机厂商和部件厂商的竞争力。对于追求低耗电量极限的部件厂商来说，彻底降低功耗后不仅在智能手机市场上的业务量会越来越多，而且还能够以此为契机涉足要求低功耗化的其他应用领域。
在手机厂商方面，仅组装标准部件的厂商与专注于部件易用性的厂商之间的差距，在电池耐久性这个指标上将表现得越来越明显。原因是仅凭充电电池容量和部件性能参数难以检测的要素会产生很大的影响。夏普的河内表示，“在如何利用充分部件的调整部分，整体的耗电量将会发生很大变化。能否在不牺牲性能和外观设计的前提下，找到电池容量和耗电量的最佳平衡点，这会是手机厂商之间实现差异化的一个重要因素”。
智能手机电池对策(二)：通过微细控制打破僵局，电池探索新思路
【日经BP社报道】在智能手机领域，处理器、显示器、RF电路无一不被要求兼顾低功耗和高性能。这些产品正设法通过“动态电力控制”及“混合化”等打破目前的僵局。能量密度增长空间有限的充电电池将开拓新的思路。
未来的智能手机要求应用处理、无线通信处理以及画面显示等主要功能全部实现高性能化。“目前的智能手机在正常使用时，应用处理、通信处理和显示所需耗电量大约各占了1/3”（某手机企业的技术人员）。只减小其中某一项的耗电量，是无法兼顾高性能和低耗电量的。因此需要在各项要素中彻底削减耗电量。
在电力的使用方法和存储方法上双管齐下
本篇将对执行应用处理等的处理器、显示器以及执行无线通信处理的RF电路今后的低耗电量化技术进行分析。同时还会介绍旨在增加充电电池容量以及提高易用性的技术开发动向。
处理器需要实现CPU和GPU的多核化并提高工作频率，今后预计会通过半导体的微细化等继续提高电力利用效率、彻底实施动态电源切断及电压和频率控制，以及推进电路的混合化等。
不断向大屏幕化和高精细化发展的显示器，其关键在于提高液晶面板背照灯光的利用效率和提高有机EL面板的发光效率。另外，为支持新一代移动通信规格而需要处理多频带无线信号的RF电路方面，根据发送电力的波形对电源电压进行微细控制的“包络跟踪（Envelope Tracking）”等技术备受关注。
锂离子充电电池单位体积的能量密度增长空间有限，目前正通过内置电池组增加容积，以及通过快速充电功能减轻充电作业的负担等尝试。
电力使用部分和电力存储部分，本系列将详细报道各部分的技术革新动态。
智能手机电池对策(三)：处理器——彻底提高效率与推进动态控制
【日经BP社报道】执行应用处理任务的处理器会瞬间消耗最大1～2W的电力。在智能手机中，处理器是对电池耐久性和发热影响最大的部件之一。针对无线通信的收发进行信号处理的基带处理LSI也会消耗较大的电力。
处理器的负荷在日益增加。美国谷歌公司2012年3月将“Android”应用的容量限制由50MB提高到了4GB 注1）。今后亮相的应用将处理更多的数据，执行更加复杂的处理工作。
注1） 虽然应用APK文件的容量限制依然为50MB，不过最多可以使用2个最大2GB的扩展文件。
“终端厂商要求‘在保持当前耗电量不变的情况下提高性能’”（半导体厂商）。为此，处理器需要实现能够轻松处理今后亮相的高级应用，并最大限度降低耗电量。
处理器的低耗电量化有两大方向（图1）。一是提高单位电力的处理性能（电力效率）。另一个是尽量减少通常处理时无需消耗的电量。
图1：在提高电路的电力效率以及进行极其细微的电力控制两方面努力
为降低应用处理器和基带处理LSI的耗电量，在两个方向采取举措。需要通过微细化和低电压化等提高电路的电力效率，根据运行情况彻底对电力进行极其细微的控制。
最大限度提高电力效率
最大限度提高电力效率
为提高处理器的电力效率，各半导体厂商纷纷致力于半导体的微细化、电路的低电压化以及漏电的削减等。LSI的动态耗电量与工作频率、负荷容量以及电源电压的平方乘积成正比。尽量削减这些要素就能以更少的耗电量执行相同的处理任务。
半导体的微细化在2012年是具有里程碑意义的一年。预计采用32nm/28nm工艺技术制造的产品将配备于智能手机（表1）。虽然漏电功率容易增加，但由于电路负荷容量减小，因此可以相应削减耗电量。数年后的22nm/20nm工艺的应用也有望利用这一效应。
技术壁垒较高的是低电压化。虽然半导体芯片截至90nm工艺一直在随着微细化顺利降低电压，但之后SRAM的误动作成为瓶颈，低电压化越来越难以实现。目前的便携终端用处理器的标准电压只降到1.0～1.1V左右，最小驱动电压降到0.8～0.9V左右。因此需要从根本上改进电路技术。
推进这类研究的是美国英特尔。该公司试制出了电力效率在阈值电压附近最高的x86处理器“Claremont”。这是通过开发能以0.28V的极低电源电压正常运行的电路群来实现的。以接近阈值电压的0.45V电源电压运行时，工作频率为60MHz，电力效率最大为5830MIPS/W（整体耗电量为10mW）。以1.2V运行时，工作频率最大为915MHz，电力效率为1240MIPS/W（整体耗电量为737mW）。
漏电功率对策也在推进
漏电功率对策也在推进
要想提高电力效率，还必须削减漏电功率。韩国三星电子在“Exynos”处理器上采用32nm工艺制造技术时，导入了high-k栅极绝缘膜/金属栅极（即HKMG）。
与32nm工艺中未导入HKMG时相比，栅极漏电流降至约1/100，整体漏电流降至约1/10。另外，三星电子还首次采用了基板偏压技术*。目的是根据裸片上的漏电功率和性能的监控信息，减小制造偏差造成的性能下降和漏电功率。
*基板偏压技术＝在硅基板上加载偏压以动态控制阈值电压的技术。通过加载负电压提高阈值电压以暂时抑制漏电流的后基板偏压，或者通过加载正电压降低阈值电压以暂时提高速度的前基板偏压。
为尽量削减正常处理时无需消耗的电力，而实施的对策是根据负荷改变工作频率和电压的DVFS*，以及以电路块为单位的电源切断和时钟切断操作。处理器本来就导入了以动态控制电力为目的的技术。通过将这些技术用于细微之处，使负荷和耗电量走势基本上呈现同样的曲线走势。
*DVFS（dynamic voltage and frequency scaling）＝在LSI中，通过根据处理负荷等动态控制电源电压和工作频率，从而削减耗电量的方法。以LSI根据软件指示变更设定的形态运行。
从细微之处入手，瑞萨移动的做法可谓典型。该公司的母公司瑞萨电子在用于传统手机的应用处理及基带处理整合型处理器“SH-Mobile G”系列中，将DVFS应用到了CPU内核中，并对电源域和时钟系统进行了细分化。
而瑞萨移动面向智能手机开发的“MP5232”则对CPU内核的工作频率设定以及电源域和时钟系统则进行了更加细致的划分（图2）。“由于必须配置电源开关，因此并不是只要细分就完事了。我们设想了智能手机的使用情况，找到了最佳划分点”（瑞萨移动移动多媒体事业本部SoC事业部事业部长服部俊洋）。
图2：根据利用情况对电力进行极其细微的控制
瑞萨移动面向智能手机开发的“MP5232”与用于传统手机的处理器相比，可以根据利用情况对电力进行极其细微的控制。CPU内核的工作频率设定、电源域的数量以及时钟系统的数量均大幅增加。
对每个CPU内核控制频率
美国高通的“Snapdragon”系列采用根据多个CPU内核进行DVFS的方式。向一个内核施加较大负荷时，如果其他内核的负荷较小，则会削减负载较小的内核的工作频率（图3）。其他半导体厂商则采用对内核群统一进行DVFS的方法，即根据处理负荷统一改变多个CPU内核的工作频率。
图3：按照多个CPU内核进行DVFS
高通在“Snapdragon”系列的多核产品中，按照各CPU内核进行了动态控制电压和频率的DVFS。通过向各CPU内核供给其他系统的电力和时钟，提高了对处理负荷的追随性。
按内核进行DVFS的方法存在电源电路部件增加的问题，不过“该方式能防止当单线程的处理负荷较大时，其他内核以不必要的高频率运行状态，我们判断这样做的优势更大一些”（高通日本CDMA技术营销及业务开发统括部长须永顺子）。除了双核产品外，四核产品也采用相同的方式。
DVFS和电源切断的彻底实施在基带处理LSI方面也得到了推进。尤其是“在整合型处理器中，基带处理部也容易细微地控制电力”（高通日本的须永）。不仅是成本和安装面积，耗电量也可能成为选择整合型处理器的理由。
适当使用效率各异的CPU
今后，处理器将导入的新低耗电量化举措之一是电路的“混合”化。在智能手机中，“所要求的处理动态范围比传统手机大幅扩大。今后还会进一步扩大”（瑞萨移动的服部）。在处理负荷非常小时和非常大时区分使用最佳电力效率的电路——这类对策将得到推进。
混合化从耗电量尤其大的CPU部分开始。最先得到应用的是美国英伟达在“Tegra 3”中采用的“4-PLUS-1”技术。这是在同一枚裸片上混载采用LP（低电力）工艺的低电力CPU内核和采用G（普通）工艺的主CPU内核群的做法，可根据负荷切换使用（图4）。CPU内核采用相同的微架构。
图4：利用不同的制造工艺安装
区分使用CPU的英伟达在“Tegra3”中导入了可以区分使用以低电力工艺制造的CPU内核以及以普通工艺制造的CPU内核的“4-PLUS-1”技术。为了不使切换点附近频繁发生切换，采取了预防措施。
“从决定切换到完成切换所需时间不到2ms，用户应该注意不到”（英伟达日本技术营销工程师Steven Zhang）。不过，如果负荷刚好在切换边界附近变化，可能会频繁进行切换处理，因此配备了在重复切换点的基础上，根据实际切换次数调整切换点的学习功能。
通过微细化获得可行对策
2013年前后有望实现实用化的，是切换不同微架构CPU内核的方法。英国ARM公司发布了可以切换使用相同指令集架构CPU内核群的“big.LITTLE”技术（图5）。通过混合使用为提高最高性能而开发的A15内核，以及为优先提高电力效率而开发的A7内核，兼顾了负荷较小时的低电力运行和负荷较大时的高性能运行 注2）。两种内核在寄存器范围等方面存在差异，不过这种差异可以利用二者配备的虚拟支援机构吸收。“在同一枚裸片上混载制造工艺各异的电路可能会增加掩模费用。将来采用阈值较少的big.LITTLE的厂商应该会增加”（某半导体厂商的技术人员）。
图5：在不同架构的CPU中切换使用的“big.LITTLE”
ARM公司正在开发可以切换使用指令集兼容的Cortex-A15内核群和Cortex-A7内核群的“big.LITTLE”技术。处理负荷较低时利用电力效率较高的A7内核群，负荷较高时利用单位频率的处理性能较高的A15内核。
注2） big.LITTLE技术有切换使用A15内核和A7内核的“Task Migration”模式，以及同时运行A15内核和A7内核的“MP”模式。MP模式需要扩展OS的调度器（Scheduler），ARM公司正面向big.LITLLE的实用化时间进行开发。
混合化得以推进的背景在于，CPU内核在处理器上所占的面积比例减小。在目前的双核产品中，CPU内核的面积只占整体的1～2成。今后，如果电路面积也随着半导体的进一步微细化而出现充裕空间，GPU内核等其他电路也有望采用混合构造。
智能手机电池对策(四)：显示器——大屏幕和高精细化不断增加功耗，液晶及有机EL均瞄准耗电量减半
【日经BP社报道】 智能手机配备了比普通手机尺寸大且高精细的显示面板，显示面板的耗电量也随之增加。现有智能手机配备的显示面板，无论液晶面板还是有机EL面板，其耗电量均超过了600mW（图1）。有机EL面板在全白显示时的耗电量甚至达到了约1800mW。
图1：耗电量高的智能手机用面板
智能手机配备的液晶面板或有机EL面板的耗电量超过了600mW。图中为各终端厂商通过实施图像处理等降低耗电量的情况。（图中的面板耗电量为LG显示器的数据）
加之智能手机不以语音通话为主，而主要是用于Web网站浏览和邮件收发，这种用法的改变，使得显示面板会一直保持点亮状态。可以说，一直消耗着600mW以上电力的显示面板是令智能手机电池耐久性恶化的主要原因。
目前是以图像处理来降低耗电量
目前是以图像处理来降低耗电量
如果只单纯配备耗电量超过600mW的显示面板，智能手机是无法避免电池驱动时间太短的问题的。各终端厂商现在是通过实施诸如相对于输入影像信号及周围亮度的伽玛校正以及画面亮度控制等图像处理，来降低显示面板耗电量的。
由图像处理降低显示面板耗电量的方法“在普通手机上从2008年前后开始导入，随着显示面板的大屏幕化和高精细化，能够更加精细地进行控制”（NEC卡西欧移动的并木）。
配备有机EL面板的智能手机除图像处理外，还在显示内容方面下了工夫。通过在菜单画面等上以黑色显示背景，以白色显示文字，减小了白显示在画面整体所占的面积。可以说这是全白显示时的耗电量高的“有机EL面板机型必须要做的处理”（NEC卡西欧移动的并木）。
高精细化变成瓶颈
尽管终端厂商采取了措施，但据称在浏览Web网站时显示面板的耗电量“仍占智能手机整体的约3成”（多家终端厂商）。要想从根本上解决问题，需要降低显示面板自身的耗电量。
但从面板厂商的开发动向来看，智能手机用显示面板的耗电量今后还可能进一步增加。因为液晶面板等均在不断推进大屏幕化和高精细化。
目前，各终端厂商的高端机型开始普遍采用分辨率在300ppi以上的显示面板（图2）。在2012年底～2013年，分辨率有可能会提高到近500ppi。精细度提高，单位像素的开口率就会降低，耗电量就会进一步增加。
图2：精细度的提高，会使面板开口率降低
智能手机配备的液晶面板不断推进大屏幕化和高精细化。随着分辨率的提高，面板开口率逐渐降低。
各面板厂商需要开发兼顾高精细化和低耗电量化的面板。虽然进展缓慢，但液晶面板和有机EL面板均已开始采取旨在大幅削减耗电量的措施。
已采用了多种技术
液晶面板通过控制液晶分子的电压部分遮蔽背照灯光来表现灰阶。降低耗电量的对策有增加面板开口率、降低驱动电压、提高背照灯光源——白色LED的发光效率，以及提高光学材料性能等。耗电量的降低，正是这些措施“一点点积累的结果”（日立显示器）注1）。
注1）东芝移动显示器、索尼移动显示器和日立显示器三家公司2012年4月合并成了日本显示器，本文中使用的是原公司名称。
现有智能手机用液晶面板已经采用了多种低耗电量化技术（图3）。显示模式采用可提高开口率的“FFS（fringe field switching）”方式*，驱动元件采用载流子迁移率高、可小型化的低温多晶硅（LTPS）TFT。光学部材使用了多片可提高亮度的薄膜。
*FFS方式＝与IPS方式一样是横向电场控制用显示技术。与IPS方式不同的是，像素电极和通用电极配置在上下方向。中小型液晶面板大部分都采用FFS方式，但称为IPS方式。
图3：配备8个白色LED
分辨率超过300ppi的液晶面板最多可配备8个白色LED。为提高背照灯光的利用效率，采用了旨在提高开口率的面板技术和光学部材。（图为富士通的“Arrows X LTE”配备的4.3英寸、1280×720像素的液晶面板。Fomalhaut Technology Solutions协助拆解）
尽管如此，现有智能手机的液晶面板仍必须使用最多8个白色LED来确保亮度。虽然白色LED的发光效率“有望以年均5～10％左右的幅度提高”（日亚化学工业），但随着高精细化的发展，发光效率提高的部分可能会被抵消掉。仅改良现有技术只能提高数％左右，难以从根本上解决问题。
从像素构成入手
在大幅削减耗电量上备受关注的液晶技术，也就是子像素排列的变更。具体为，在R（红）G（绿）B（蓝）3色的子像素中添加未配备彩色滤光片（CF）的W（白）来提高面板透射率，从而降低耗电量。虽然这是原来就有的技术，但目前将其应用于高精细面板中的讨论在加速。
通过变更子像素的排列降低了液晶面板耗电量的终端已经面世。那就是英国索尼移动通信（Sony Mobile Communications）2012年2月发布的智能手机“Xperia P”。该机型配备了索尼开发的“WhiteMagic”液晶面板（图4）。
图4：采用RGBW方式的WhiteMagic
索尼移动通信在该公司的智能手机“Xperia P”上采用了索尼开发的液晶面板“WhiteMagic”（a）。通过采用在RGB中追加W的4色子像素，与原产品相比不但将耗电量削减约50％，还可将亮度提高至约2倍（b）。
WhiteMagic在一个像素上配置了RGBW四色的子像素。即使背照灯亮度减半，面板画面仍可实现与此前产品相同的亮度。其特点是，如果背照灯亮度与原产品相同，则画面亮度可提高至2倍左右。
索尼移动采用WhiteMagic时，调整了对输入影像的图像处理。这是因为，如果只单纯追加W，影像的对比度感会降低。索尼移动与索尼共同反复调整了将RGB影像信号转换成RGBW时的图像处理参数。由此，“实现了在室内使用时可削减耗电量，在户外时画面明亮容易看清的效果”（索尼移动）。
将RGBW分配给两个像素
韩国三星电子正在研究同样采用RGBW四色子像素，但将其分配给两个像素的“Pentile”方式。由于将一个像素的子像素数从以往的3个减为2个，因此更方便提高面板透射率。虽然因像素减少而被指画质劣化，但不失为削减耗电量的有效手段。
三星采用Pentile方式试制的10.1英寸、2560×1600像素的液晶面板，驱动元件采用迁移率低、TFT难以小型化的非晶硅TFT，但却可实现299ppi的高分辨率（图5）。耗电量最大为3.4W，与采用RGB三色CF的10.1英寸1280×800像素产品相同。“最早预定在2012年内开始量产”（三星）。
图5：以Pentile方式降低耗电量
三星电子正探讨在高精细面板中导入将RGBW四色子像素分配给两个像素的“Pentile”方式。据称在10.1英寸产品的比较中，导入该方式的2560×1600像素产品的耗电量与采用RGB三色子像素的1280×800像素产品为同等水平。
关键在于提高发光元件的性能
有机EL面板属于自发光型器件，与液晶面板相比构成部材较少。用于智能手机的有机EL面板采用在TFT基板相反的一侧提取光的顶部发光构造，因此不会被TFT遮挡住光线。要降低耗电量，需要提高有机EL元件的内部量子效率和光提取效率。
要提高有机EL元件的内部量子效率，最有效的方法莫过于采用磷光材料。三重态激励发光的磷光材料与从单重态激励发光的萤光材料相比，在理论上内部量子效率更高。目前的状况是，在智能手机用有机EL面板上，R发光材料已经实用化，G发光材料即将得到采用。但B的磷光材料由于色纯度和寿命较低，实用化尚需时日 注2）。
注2） 为使磷光材料从三重态发光，而要采用Ir（铱）和Pt（白金）等昂贵的金属。因此存在成本高的课题。九州大学以数年后实现实用化为目标，正在开发不含Ir和Pt的发光材料。通过将单重态和三重态激发状态的能量顺序之差降到50meV，而在将能量向单重态转换。据2012年3月发布的开发成果，已经实现了86.5％的高转换效率。
出光兴产采用现有的B萤光材料提高了内部量子效率（图6）。该公司通过在电子输送层和发光层之间设置“EEL（efficiency enhancement layer）”层，开发出了超过萤光材料理论界限的B发光元件。“EEL通过使三重态激子在发光元件内保留一定的时间，使激子之间发生碰撞，从而将能量向单重态转移”（出光兴产电子材料部电子材料中心主任研究员熊均）。由此提高了内部量子效率。
图6：耗电量降至1/2以下
出光兴产通过追加高效率层提高了B萤光材料的内部量子效率，并通过追加覆盖层改善了光提取效率（a，b）。取得了4英寸的800×480像素产品的耗电量在全白显示时为644mW，平均为143mW的模拟结果（c）。（图由本刊根据出光兴产的资料制作）
出光兴产还设法提高了有机EL元件的光提取效率。通过在发光元件的负极上设置折射率较高的有机物覆盖层，“抑制了表面离子体在负极表面上造成的消光现象”（熊均）。该公司采用B萤光材料以及R和G磷光材料试制出了设置有EEL和覆盖层的有机EL元件。将其用于800×480像素的4英寸品时，预计耗电量在全白显示时为644mW，平均为143mW，可降至目前的1/2以下。
还可能有第三种显示元件
除了液晶面板和有机EL面板外，还有其他降低了耗电量的显示器技术。其中之一就是美国风险企业Pixtronix开发的MEMS显示器（图7）。
图7：以MEMS快门显示
CMI和日立显示器等试制了采用Pixtronix公司自主技术的MEMS显示器（a，b）。与液晶面板相比，光的利用效率比较高（c）。（图根据Pixtronix公司的资料制作）
Pixtronix开发的MEMS显示器技术由MEMS快门、采用RGB三色LED的背照灯、TFT、反射板及玻璃基板等构成。通过高速开关MEMS快门，控制LED背照灯的透射光和自然光量来显示灰阶。透射模式通过依次驱动RGB三色LED背照灯来显示彩色。由于无需像液晶面板那样使用偏光板和CF，因此光利用效率可提高至60～80％左右，比液晶面板的6～8％有大幅提升。
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）。
智能手机电池对策(五)：RF电路篇：降低功放耗电量，关注包络跟踪
【日经BP社报道】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1）。因此在RF电路中，如何削减PA的耗电量成了关注的焦点。
图1：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1：（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1（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2）。“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2：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3）。
图3：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4）。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4：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，耗电量可较未使用时削减40％～55％（图5）。“与W-CDMA等相比，动态范围较大的LTE能进一步降低耗电量”（Nujira公司现场应用经理Tamas Vlasits）。
图5：包络跟踪的效果
Nujira公司的包络跟踪控制IC“NCT-L1100”封装在4mm见方的BGA等中（a）。W-CDMA、HSUPA及LTE在23dBm输出时的RF电路耗电量。导入包络跟踪技术，大幅降低了PA的耗电量。LTE的话可削减55％的耗电量（b）。（图由本刊根据Nujira公司的资料制作）
包络跟踪用控制IC插入PA和RF收发器IC（或基带处理LSI）之间使用。控制IC通过符合MIPI（Mobile Industry Processor Interface）标准的芯片间接口等控制 注2）。
注2） MIPI Alliance于2011年11约成立了旨在制定包络跟踪专用接口标准的工作组。预定制定从RF收发器IC或基带处理LSI收发包络信号的信号线标准。
在包络跟踪用控制IC领域另一家较受关注的公司是美国Quantance。该公司将自主开发的技术命名为“qBoost”，计划与PA厂商合作扩大技术的应用范围。该公司称，利用该技术可将功率附加效率提高至50％左右。
Quantance已经与三菱电机展开了合作。三菱电机前不久发布了尺寸仅3mm见方、可放大6频带的PA，设想与包络跟踪技术组合使用。组合使用后可确保最大40％的效率（图6）。
图6：支持6个频带，可确保40％的效率
三菱电机开发的GaAs制PA尺寸只有3mm×3mm×1mm（a）。功率附加效率在1.7G～2GHz的6个频带中最大可确保40％（b）。（图由本刊根据三菱电机的资料制作）
将来计划配备于RF IC
包络跟踪技术不仅可以利用上述专用控制IC来支持，在不久的将来还计划嵌入RF收发器IC等使用。富士通半导体预定2012年5月上旬开始样品供货配备包络跟踪控制功能的多模及多频型RF收发器IC“MB86L11A”。这是业界首款配备包络跟踪控制功能的RF收发器IC。此外，美国高通公司等从事智能手机芯片组业务的大企业好像也都在考虑标配该技术。
不过，包络跟踪也存在课题。由于电源电压高速切换，信号的失真特性会劣化，相邻通道的漏电功耗可能会增大。作为解决对策，瑞萨电子通过提前使发送信号失真（预失真）减轻了劣化，瑞萨电子认为“需要探讨类似的补偿技术”。
提高元件自身的效率
还有厂商打算通过提高PA元件自身的特性来提高效率，以降低耗电量。例如美国威讯联合半导体（RF Micro Devices）于2012年2月底发布了可将LTE发送时的功率附加效率提高至42～44％左右的PA“ultra-high efficiency PA” 注3）。
注3）可用于放大W-CDMA的频带1、2、3、4、5、8，以及LTE的频带4、7、11、13、17、18、20、21。
另外，富士通半导体2011年底开始供货多频型PA，通过在PA元件中利用与富士通研究所共同开发的高耐压晶体管“EBV-Transistor”提高了效率。这是一款利用CMOS技术设计的PA，能够通过一个封装支持W-CDMA和HSPA利用的3个频带的放大（图7）。据富士通半导体介绍，使用频率较高的中低输出时的效率非常高。
图7：富士通的CMOS制PA支持3个频带
富士通半导体开发的CMOS制PA利用一枚芯片实现了W-CDMA/HSPA的频带Ⅰ（2.1GHz频带）、频带Ⅴ（850MHz频带）、频带Ⅸ（1.7GHz频带）的放大。尺寸为4mm×3.5mm×0.7mm。
减少反射波降低耗电量
另外还有不在PA上下工夫，而是通过导入RF电路的周边技术来降低电力损耗的案例，比如插入隔离器来减少反射波。
隔离器是仅通过单向信号的部件，如果在PA和天线之间插入隔离器，可以阻止从天线侧逆流进入的信号。
最近的智能手机天线一般设置在机身侧面等，天线阻抗会随着用户握持方法的不同而大幅变动。因此，RF发送部会产生阻抗不匹配现象，从而导致PA的输出信号作为反射波返回，这会使S/N恶化。
反射越多，PA的发送电力越大，所以会导致耗电量的增加。插入隔离器可以去除反射波，从而降低耗电量。
使用隔离器会导致部件数量增加。因此，海外的终端厂商大都不愿意采用。不过开发商期待，随着对降低RF电路耗电量的关注度越来越高，采用的海外终端厂商也会增加。比如，隔离器开发企业之一村田制作所开发出了将PA、滤波器以及隔离器（稳定器）收纳在一个封装内的PA模块，并且已开始供货（图8）。该公司通过集成化缩小了产品尺寸，并以此为优势向日本国内外的终端厂商积极促销。
图8：将隔离器内置于PA模块
村田制作所从2011年下半年开始量产将PA、SAW滤波器及隔离器（稳定器）收纳在一个封装内的模块（a）。支持多频带信号放大。外形尺寸为6.6mm×3.8mm×1.0mm（b）。
智能手机电池对策(完)电池编：实现700Wh/L的能量密度，10年后主角仍是锂电池
【日经BP社报道】“智能手机中各种器件的耗电量激增，与电池容量完全失衡”——电池厂商的技术人员这样抱怨道。因为终端厂商“对电池的期待超过了电池的潜能”。
目前，智能手机用锂离子充电电池单位体积的能量密度为500Wh/L左右（图1）。与首次在手机中采用锂离子充电电池的1995年相比性能得到了提高，容量已经增加至约2.5倍。
图1：锂离子充电电池时代将会持续
1995年开始用于手机的锂离子充电电池，目前单位体积的能量密度已经提高至500Wh/L左右。虽然预计能量密度的增长率会减缓，但今后仍会作为智能手机电源使用。2012年以后的值为本刊推测。
虽然锂离子充电电池目前仍在推进开发，不过大多数观点都认为，今后容量实现大幅增加的可能性比较低。据某电池技术人员透露，电池厂商的目标是“稳步开发，力争今后10年使容量增加3～4成左右”。也就是说，目标是2020年前后实现650～700Wh/L左右的容量。
当然，为大幅提高能量密度，还出现了开发“后锂电池”的动向注1）。不过技术方面难度较高，目前存在的课题还堆积如山。后锂离子充电电池的实用化需要10年左右的开发时间。因此，要想消除用户对智能手机电池耐久性的不满，除了提高现有锂离子充电电池的性能以外别无他法。
注1） 后锂离子充电电池的有力候补是锂空气电池和锂硫磺（Li-S）电池。与目前的锂离子充电电池相比，锂空气电池的理论值是其15倍以上，Li-S电池是其10倍以上，均有望大幅提高能量密度。
内置大容量电池
开发主要有三大方向（图2）。（1）电池的高容量化、（2）支持快速充电、（3）支持无线供电。（2）和（3）是从提高用户易用性的角度出发进行开发的。
图2：电池开发有三大方向
消除用户对电池耐久性不满的方法除了提高电池容量外，还可以通过快速充电和无线供电来解决。
在这三大方向中，最主要的是（1）高容量化。提高电池耐久性最简单的方法应该就是为智能手机配备更大型的充电电池。美国摩托罗拉移动公司就从这个观点出发开发出了新机型。该公司2012年1月上市了“DROID RAZR MAXX”，作为智能手机配备了前所未有的3300mAh大容量锂离子充电电池（图3）。
图3：内置3300mAh的大容量电池
摩托罗拉移动开发出了配备3300mAh大容量锂离子充电电池的智能手机“DROID RAZR MAXX”（a）。该公司在2012年1月举行的“2012 International CES”上首次公开了产品，强调了通话时间之长等（b）。
DROID RAZR MAXX是以最薄部为7.1mm的“DROID RAZR”为原型开发的机型。DROID RAZR的充电电池容量为1780mAh。RAZR MAXX在只比RAZR厚出1.9mm的机身上配备了容量约为其1.9倍的充电电池。
能够配备如此大容量电池的主要原因是采用了层压型锂离子充电电池，并且采用电池无法取出的内置方式。通过内置，能在机身内的大面积空间放置电池。另外，还省去了取出式电池所需的外装部件。
层压型与以往手机中主要采用的方型产品相比，形状自由度较高。“层压型可以根据终端定制形状，因此随着智能手机的普及，客户的咨询越来越多”。在开发层压型电池的索尼负责便携终端用锂离子充电电池业务的牛山直幸（索尼能源设备第1事业部门业务2部 统括部长）这样说道。
在终端中内置电池时，重要的是要确保充分的充放电循环寿命，以及抑制充放电导致的膨张和收缩。寿命方面，“以前充放电500次后能维持60％的容量即可，而现在需要在充放电1000次后仍保持80％的容量”（牛山）。
对硅和锡等负极材料寄予厚望
电池自身的高容量化方面，目前已开始改进材料。其中，负极材料的改变备受期待。因为正极材料方面没有发现能实现高容量化的候补材料。而负极材料通过将现有锂离子充电电池使用的石墨变更为硅（Si）和锡（Sn）等合金材料，有望大幅提高性能。
硅和锡拥有石墨仅10倍的理论容量。虽然实用案例有限，不过日立麦克赛尔能源（当时为日立麦克赛尔）2010年先于其他公司开始面向智能手机供货采用硅类负极材料的锂离子充电电池。好像主要得到了海外厂商智能手机的配备。与采用石墨的原产品相比，容量提高了约10％。
一般情况下，如果采用硅和锡等材料，与原产品相比单元电压会降低，因此需要降低放电终止电压以提高容量（表1）。为此，终端厂商方面需要使终端的电源系统支持低电压驱动，这就需要部件等大幅变更设计。而“仅仅为了提高数十％的电池容量就变更部件设计是不可能的”（某手机运营商的技术人员），这是手机行业的“常识”。原因是，“变更智能手机的平台需要进行数百亿日元的投资”（该技术人员）。
以低电压驱动部件会有强大的电阻，因此在电池侧进行应对是采用硅和锡等负极材料时的必要条件。日立麦克赛尔能源为了使充电电压和工作电压与以往的锂离子充电电池相同，改良了正极材料和电解液。
硅和锡等材料因充放电而产生的体积变化较大，存在充放电循环寿命短的课题。另外，内置于终端时不允许电池膨胀。如果是方型产品的话，可以通过密封压力在一定程度上吸收膨胀。而层压型由于是在气压下封装，因此容易发生体积变化，“技术方面的难度较高”（索尼能源设备第1事业部门商品设计2部统括部长星野谦一）。
作为抑制膨胀的方法之一，日本瑞翁（Zeon）开发出了用于硅类负极材料的水性粘合剂。现已开始样品供货。
确保安全性是首要任务
推进锂离子充电电池的高容量化时，必须要注意的是确保安全性。回顾过去，NTT DoCoMo的手机在2006～2007年前后曾经频繁发生锂离子充电电池异常发热和起火事故。其原因包括，较以往的4.2V提高了充电电压、为填充更多的电极活性物质而简化了部分安全机构等。
制造事故电池的厂商不得不召回问题电池，NTT DoCoMo还一度“严令暂停提高电池组能量密度的开发”（业界相关人士）。由于有了前车之鉴，“虽然因智能手机市场的迅速崛起，对增加容量的要求很强烈，但开发仍很慎重”（电池技术人员）。
从提高电池安全性的观点来看，正确掌握电池剩余电量的方法最为有效。锂离子充电电池在过充电和过放电等状态下会发生膨胀和温度上升等，从而导致劣化。因此，最新的智能手机陆续配备了可高精度测量电池剩余电量的IC。
提高用户便利性的方向
作为提高电池容量以外的对策，目前正在推进旨在提高用户便利性的快速充电和无线供电。如果能将以前需要1～2个小时的充电时间缩短至10分钟左右，或者只需放在桌子上即可充电，用户的充电次数自然就会增加。这样一来，即使电池容量没有增加，也可以消除用户对电池耐久性的不满。
不过，快速充电和无线供电存在会加速电池劣化的缺点。目前已经出现几项可以改善该缺点的技术。
例如，NTT DoCoMo和NEC共同在“CEATEC JAPAN 2011”上公开了可用10分钟快速充电的智能手机用移动电源。将锂离子充电电池的负极材料由石墨换成了具有出色的长寿命特性和输入输出特性的钛酸锂（Li4Ti5O12，LTO）。
另外还有改良电池电极构造的方法。提出该技术的是西野专业工程师事务所的技术顾问西野敦。随着对快速充电、无线供电及高电压化等的要求不断提高，“必须具备低电阻化和高耐压化技术”（西野）。
因此，西野开发出了在集电体电极上的导电层和活性物质层之间设置相互扩散层的新电极构造（图4）。采用该构造，可将电极电阻降至1/2～1/10。
图4：追加相互扩散层
西野专业工程师事务所提出了将电极电阻降至1/2～1/10的电极构造。其一大特点是，在集电体电极上的导电层和活性物质层之间设置了相互扩散层。（图由本刊根据西野专业工程师事务所的数据制作）
利用双电层电容器
此外，还有通过与其他电子部件组合使用来防止劣化的方法。比如与双电层电容器的组合使用。锂离子充电电池会因剧烈的电压变化而发生劣化。而双电层电容器即使反复充放电容量也不容易变化，而且内部电阻较小，因此可输入输出大电流。
如果利用该特性，可以实现通过双电层电容器平均电压变化，然后再通入锂离子充电电池等的方法（图5）。电动汽车已经开始讨论该方法，不过西野吃惊地表示，“智能手机技术人员中甚至有很多人从没想过利用双电层电容器”。
图5：抑制电池输出功率的变
锂离子充电电池如果输出功率大幅变化会造成劣化。通过与双电层电容器组合使用，可以抑制锂离子充电电池的输出功率变动。（图由本刊根据西野专业工程师事务所的数据制作）
智能手机用双电层电容器可以使用414型（直径3.8mm×厚度1.4mm）和311型（直径2.8mm×厚度1.1mm）等超小型产品。在配备数量较多的机型中，每部终端会使用8～12个。不过，目前这些双电层电容器主要用于高速启动应用等，大多都没有用于防止锂离子充电电池的劣化。
