Ny forstærkerchip lover dobbelt batterilevetid på smartphones

Forskere mener at have begået et teknologisk gennembrud, som måske kan fordoble batterilevetiden på smartphones og halvere strømforbruget i mobilmaster.

En overgang var en mobiltelefon et apparat, der kunne holde strøm i dagevis, men så blev mobiltelefoner til smartphones, der i grelle tilfælde ikke kan holde strøm bare en enkelt dag. Men det kan meget vel være på vej til at ændre sig.

Det mener i hvert fald to elektronikprofessorer, Joel Dawson og David Perreault, fra amerikanske MIT - Massachusetts Institute of Technology.

De står bag firmaet Eta Devices, som har lavet en ny effektforstærkerteknologi, der potentielt skulle kunne halvere strømforbruget i mobilmasters basestationer og fordoble levetiden i smartphones, skriver MIT Technology Review.

I dag sker der et væsentligt energitab i mobilmaster og -telefoners effektforstærkere, som forvandler elektricitet til radiosignaler. Det skyldes, at de nuværende effektforstærkere anvender transistorer, som befinder sig i en af to strømforbrugende tilstande: når de sender eller er i standby.

Effektforstærkerens energiforbrug kan sænkes ved at minimere strømforbruget i standby-tilstanden. Men pludselige skift fra et lavt strømforbrug i standby-tilstand til et højt strømforbrug i sendetilstand er tilbøjelige til at forvrænge radiosignalerne. Derfor er standby-strømforbruget i de eksisterende effektforstærker-teknologier forholdsvis højt.

»Det betyder, at man bruger en masse energi på bare at holde apparatet tændt,« siger Joel Dawson til MIT Technology Review.

Og jo mere data, der bliver sendt, desto værre bliver strømforbruget.

»Med kommunikation med en høj datarate, kan man ende med at skulle bruge langt mere standby-strøm end signalstrøm. Det er derfor telefonen bliver varm.«

Automatgear til strømforbruget

MIT Technology Review beskriver det nye effektforstærkerdesign som en meget hurtig gearkasse. Den vælger automatisk mellem forskellige spændinger, der kan sendes over en transistor, alt efter hvad der minimerer strømforbruget. Det sker op til 20 millioner gange i sekundet. Teknologien har fået navnet symmetric multilevel outphasing.

På nuværende tidspunkt er der tale om et laboratorieprojekt, men det er meningen, at teknologien skal blive kommercielt tilgængelig i begyndelsen af 2013, hvor den i første omgang vil være målrettet LTE-basestationer i mobilmaster. Derudover bliver der arbejdet på en udgave af effektforstærkeren, som kan mindske strømforbruget i en mobiltelefon.

Preben Mogensen, der er leder af forskningssektionen Radio Access Technology ved Aalborg Universitet, er en af ophavsmændene til 4G/LTE-standarden for mobilt internet, og han vurderer, at baggrundsmaterialet til det nye effektchipdesign ser fornuftigt ud. Teknologien lyder dog som en anden teknik kaldet 'envelope tracking' (se link til venstre for artiklen), fortæller han.

'Teknologien forventes også snart moden til kommerciel anvendelse, og ja, den vil spare energi. Om en smartphone kommer ned på 50 pct. af strømforbruget på grund af denne teknologi er dog tvivlsomt, men 'envolope tracking' eller noget lignende er en kærkommen forbedring er PA (effektforstærker)-effektiviteten,' skriver han i en mail.

Dokumentation

Wikipedia: Envelope Tracking
MIT: Efficiency Breakthrough Promises Smartphones that Use Half the Power

Kommentarer (2)

»Det betyder, at man bruger en masse energi på bare at holde apparatet tændt,« siger Joel Dawson til MIT Technology Review. Og jo mere data, der bliver sendt, desto værre bliver strømforbruget. »Med kommunikation med en høj datarate, kan man ende med at skulle bruge langt mere standby-strøm end signalstrøm. Det er derfor telefonen bliver varm.«

Så vidt jeg ved, sendes data ud i pakker. Og, hvis der ikke sendes en pakke, er der ingen strømforbrug. Pakkerne, kan i princippet gøres små, og der kan sendes relativt få per sekund.

Hvis der er et stort strømforbrug, tror jeg, at det er et protokolproblem. Pakkernes størrelse, er muligvis ikke korrekt, og der sendes et for stort antal pakker per sekund, i standby.

Normalt, vil man helst ikke sende nogle data i standby, da det er et problem for personer, der får hovedpine. Heldigvis, er det stort set hellerikke et problem, at helt eliminere forbruget i standby. Der behøver ikke, at blive sendt data.

Det største problem ved standby er modtageforbruget. Skal det være lavt, er også nødvendigt, at modtageren går ned i forbrug - og at den direkte disables. Det betyder, at modtageren skal laves til, at kunne gå ned i et nul-forbrug, og at kunne gå op igen, på kort tid.

Typisk, vil en protokol lytte efter "interrupts" - altså, om telefonen skal skifte til aktiv tilstand, nogle gange i sekundet. Desto oftere, at disse interrupts lægges, desto hurtigere responstid har den på interrupts. Et interrupt, lægges på et helt bestemt sted, så telefonen præcist ved på forhånd, hvornår at modtageren skal tændes, for at lytte til næste interrupt. Er der en interrupt bit, så tjekker telefonen, på nogle ekstra bits, der også ligger på et bestemt sted, om interruptet er til telefonen, eller til andre, som den deler interrupt med. At bruge mange interrupts, sætter sandsynligheden for, at en standby telefon, skal tjekke de yderligere bits ned, og et stort antal interrupts, minimerer således standby forbruget. Telefonen skal helst aktivers så sjældent, af interrupts, at forbruget til at tjekke de ekstra bits, højst øger forbruget 50%. Det kræver typisk, nogle få tusind interrupt bits, per sekund.

Ved normal standby, kan accepteres responstid i størrelsesorden halve til hele sekunder. Det betyder kun, at det går et sekund, inden telefonen ringer. Det betyder også, at hvis der sendes en pakke til telefonen, via internet, så kan gå op til et sekund, før computeren går ud af aktiv tilstand, og modtager, samt behandler pakken.

Er man på internet, er normalt en ulempe, med for stor responstid. Typisk, vil responstiden, derfor vælges afhængigt af brugen. Bruges nettet, vil responstiden være hurtig, i kort tid efter enhver kommunikation. Er der stille, så gås til low-power tilstand, hvor responstiden øges. Normalt, er intet problem, at acceptere en svartid, der er 50% større, og går der således et par sekunder, hvor der ingen data modtages, kan man nemt sætte responstiden, til et sekund.

Den vil normalt ikke sættes længere end et sekund, af hensyn til at telefonen skal kunne modtage opkald.

Ser vi på forbruget af en telefon, så vil der normalt ikke sendes pakker. Der sendes kun pakker, hvis du flytter den, så den skifter flere sendestationer bort. Det er ikke nødvendigt, at sende informationer, hvis det er til en nabostation. Telefonen detekterer f.eks. en gang i sekundet, om der er en interrupt bit, og imellem hver test, går alt i standby. Også modtageren. Det sværreste problem her, har været at lave PLL's, der tænder hurtigt, og når den rette frekvens.

Effektiviteten af senderen, er stort set uden betydning, i forbindelse med standby, da den ikke bruges. Normalt returneres hellerikke nogen informationer, da det medfører uønsket, øget stråling. Hvis en telefon slukkes, så vil man ofte vælge, at sende information, så det er muligt, at deallokere telefonen, fra interrupt bitsene. Men, det er ikke væsentligt. Normalt, er mange telefoner, der bruger samme interrupt bit, og det er tidligt nok, at tjekke om telefonen er tændt, på det tidspunkt, at den får et interrupt, som den skal svare på. Sendes ikke et signal tilbage, når en telefon er slukket, så vil vides at den er slukket. Telefonerne bruger samme interrupt bit, for at undgå, at de fylder for meget. Slukkede telefoner, er også ofte allokeret en interrupt bit, men den bruges ikke, hvis telefonen ikke søges aktiveret. Søges den aktiveret, så vil den deallokeres, når der opdages, at telefonen er slukket. En slukket telefon, fylder derfor ikke op interrupt mæssigt, da der ikke sendes interrupt. Telefonerne, er fordelt over mange interrupt bits, således at sandsynligheden for et interrupt er lav. Sker et interrupt, tjekkes hurtigt, om det er til den pågældende telefon, ved at læse nogle ekstra bits.

Er protokollen lavet korrekt, så vil der således ikke bruges spor energi i standby mode. Fejlen er ikke effektforstærkeren, men protokollen, hvis der er standby forbrug.

Jeg kender ikke til, hvordan de forskellige mobiltelefon standarder er lavet, men naturligvis, så kan man sætte tumber til at udvikle dem, eller direkte udvikle dem, med henblik på at øge batterisalget. Så findes mange algorithmer, der er i stand til at maximere et forbrug. Nogle sætter direkte effektmodstande over batterierne, for at dræne dem. Det plejer, at siges at sætte telefonens pris lidt ned, selvom det koster en ekstra dyr modstand.

  • 0
  • 0