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.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.
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
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
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).
