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2011-03-17 18:35 出处:PConline原创 作者:挖煤造钢管 责任编辑:gaochenlong

  在现今3C产品持续要求缩小尺寸、减少体积的设计趋势下,尤其在随身便携式的产品应用方面,也希望利用简单的可重复充电电池供电,就能达到连续使用数天都不需充电的应用方式,但这类低功耗的电力系统设计,必须在几nA电流上锱铢必较,这时系统开发者就必须理解整个系统的功能目的、微控制器特性、元件性能,满足低耗电系统设计的严苛要求。

  随著时代进步,消费者对于产品的要求不断提升,产品设计不但朝著持续缩小化的方向发展,在使用功耗方面,也必须持续压低电池供电系统的电力使用需求。

白色版
iPad 2厚度较iPad初代更薄,却能维持相同水平的电池性能

  近来最热门的3C商品,应以Apple发表的iPad 2最为热门,其设计即号称仅使用以往初代iPad约2/3的机体厚度,原有的iPad一代A1315型锂电池,规格为3.75V/24.8W,而新的电池是3.8V/25W,容量为6930mAh,两者电池差异并不算太大。但iPad 2保有初代iPad具有的连续10小时电力供应,这代表系统开发者必须在不改动原有系统零件需求、维持原设计架构下进行产品体积的厚度缩减,同时兼具电池效能设计。

SmartCover
iPad2配件SmartCover合盖即自动关闭屏幕显示与背光设计

  这部分除必须面对产品机构方面的空间压缩,关键元件本身的缩小化研发设计,也是必要的手段之一,而如何透过系统化的节电设计,如透过电池减量,也是另一个缩小产品体积的思考方向。

  但开发遭遇的问题是,为了实践缩减产品厚度的设计目的,同时还要兼顾重量方面的消减,这代表系统可用的电池数量必须加以限制,却又会与延续产品一次充电后的可离线使用时间产生设计上的冲突,如何在诸多冲突下取得平衡,达到缩小体积、延长装置使用时间、维持相对表现更佳的运行效能等目标,于是成为设计上的高难度挑战。

缩小PCB尺寸:让电池空间极大化

  在进行新产品开发时,找来竞争产品进行拆解、观察,是系统设计初期常见的逆向工程手法,有助于启发新系统开发时的设计思维。以iPad 2的产品改版重点观察,其实在产品厚度已经有1/3缩减、电池体积也遭限制的设计条件下,可以使用的设计资源就会相对被限缩。

PCB
利用多层板PCB把电路空间大幅缩减

  原有iPad初代的作法,是利用多层板PCB把电路空间大幅缩减,把电路板面积极度小型化,并设置于主机角落位置,藉此腾出最大的机体内部面积与空间以容纳电池,而主机关键的网络模块、蓝牙模块、外部硬件按键/音量按钮等,仅使用极小的电路板区块,设置RF芯片,其余在电路上与主控电路的衔接部分,透过厚度相对较薄、可依机构弹性调整的软性电路板进行衔接,让最占空间的IPS触控面板与电池拥有最大的设置空间。

扩充电池蓄能水平:提供产品10小时使用性能

  在iPad 2的产品进化上,不免俗地采行iPad初代的设计基础,电路板与必备无线功能亦采行相同方式进行设计,新产品另追加前/后镜头设置,但除了前镜头采取中央位置设计外,后镜头则依照原有的电路板配置方式,但比较前/后镜头,前镜头搭配FaceTime网络电话应用的功能,其拍摄视讯仅支持VGA/30fps,因此,元件体积本身就较为小巧,新的无AF设计镜头多已采行单芯片设计,元件厚度更迷你,置于中央位置并不会造成机构上的限制;

  而后镜头就不同了,因为后镜头的拍摄水平达720p/30fps,且具备AF功能,即便采单芯片设计,在元件方面也有一定程度的体积,把体积较大的后镜头设于装置背后的左上侧,可避免镜头模块限制了电池与面板的设置空间。

电池续航
扩充电池蓄能水平

  除在机构上尽可能增加关键元件的空间与设置弹性外,亦可让机构内部近5成的空间均用于设置电池,加上电池采行高效能的锂离子电池,可依机构构型采取方形或略微搭配机构的细部设计。有了够大的电池蓄能奥援,装置本身要超越同级产品的使用时效这件事,也就更容易达成。

  除了尽可能扩充电池蓄能水平外,以量去延长使用时效是一个有效方法,而当空间尽可能扩张仍无法达到目标时,就必须朝关键零件缩小化的方向去进行改善。

  例如,iPad 2能将体积厚度缩减而不影响电池效能的另一关键,就是Apple将关键的IPS电容触控面板更进一步减少厚度,甚至将一般LCD面板需要的结构强化框体,部分转移到主机箱维持强化,但薄型化设计的面板零件在一般产品开发中,必须要有产量方面的资源挹注,才有可能回头要求零件供货商,客制小型化的零件支持,这部分的成本追加,必须透过量价制衡,方能维持产品于终端市场的价格竞争力。

采用省电型ARM微处理器:达到超省电的应用设计目的

  行动产品要想发挥最大的性能,同时维持最佳的用电效能,其实最大的关键在于微控制器。目前多数的行动装置,只要具备大量运算、软件运行需求,都已朝向采行ARM架构的高效能、低耗能微控制器平台进行设计思考。

  观察iPad的产品改版设计细节,其自原有的单核心ARM升级至双核心ARM设计,同时加大主存储器去达到加速运算并减少Flash资料转移的频次,让iPad 2达到1倍性能提升、9倍绘图效能提升,但电源耗用却维持与前代产品相近的设计水平。

ARM A9
采行省电型ARM微处理器

  除核心微处理器的强化之外,在产品架构与系统软件端的省电设计考量,也是必要的思考。例如,原有iPad初代的环境光感应器,在实际的省电应用方面,并没有发挥多大的效益,因为多数用户仍不喜欢屏幕在使用过程自动调整亮度,影响使用舒适度,往往会将此功能关闭,而iPad 2尝试将光感应器的功能近一步与IPS面板保护用的SmartCover配件进行功能集成,当使用者把SmartCover盖上屏幕时,装置会自动把面板显示与LED背光关闭,藉此达到省电效果。

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