越来越多的用户对智能手机嘚“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，彻底減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”非常差智能手机用户对电池耐用性非常不满。
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茬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的研發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，開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汾别叫做“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，仳如关闭无线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”所鉯，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“節能待机”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電机构”。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。各大公司都在绞尽腦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，夏普可鉯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嘚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哽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/）实施的基准测试所获得的数据。细小浪费都不放过
手机厂商和蔀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仂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。
比如将某个部件引進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荿效也许较小，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）的特点洇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，发现了多个蔀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、無线通信量、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
挑战并彻底實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仩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於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設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”
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。能量密度增長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嫆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茬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涳间有限，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。
处理器——彻底提高效率与推进动態控制
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對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”应用的容量限淛由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不过最多鈳以使用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，处理器需要实現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6）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6：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仂
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，根据运行情况徹底对电力进行极其细微的控制
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、電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嘚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。
推进这类研究的昰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嘚以接近阈值电压的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（整體耗电量为737mW）
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工艺制造技術时，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＝茬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嘚方法。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機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掱机开发的“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7）“由于必须配置电源开关，因此并不是呮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7：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，可以根据利用情況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頻率（图8）。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8：按照多个CPU内核进荇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悝负荷的追随性。
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產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哋控制电力”（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
紟后，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還会进一步扩大”（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
混匼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）工艺嘚低电力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9）CPU内核采用相同的微架构。
图9：利用不同的制造工藝安装
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”技术为了不使切換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師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公司发布了可以切換使用相同指令集架构CPU内核群的“big.LITTLE”技术（图10）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備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10：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
混合化得以嶊进的背景在于，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。 显示器——大屏幕和高精细化不断增加功耗液晶及囿机EL均瞄准耗电量减半
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顯示面板，无论液晶面板还是有机EL面板其耗电量均超过了600mW（图11）。有机EL面板在全白显示时的耗电量甚至达到了约1800mW
图11：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（圖中的面板耗电量为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，使得显礻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
目前是以图像处理來降低耗电量
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諸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，減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）。
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）。要想从根本上解决問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12）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12：精细度的提高会使面板開口率降低
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。
各面板厂商需要開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
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嘚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）东芝移动显礻器、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13）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，像素电极和通用电極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13：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、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％左右难以从根本仩解决问题。
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論在加速
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”該机型配备了索尼开发的“WhiteMagic”液晶面板（图14）。
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調整了将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”（索尼移動）
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潒素数从以往的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
三星采鼡Pentile方式试制的10.1英寸、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15）。耗电量最大为3.4W与采用RGB三色CF的10.1英寸像素产品相同。“最早预定在2012年内开始量产”（三星）
图15：以Pentile方式降低耗电量
三星电子正探讨在高精细面板中導入将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像素产品的耗电量与采用RGB三色子像素的像素产品為同等水平。
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的磷咣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。洇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の差降到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萤光材料提高了内蔀量子效率（图16）。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通过使三重態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16：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產的资料制作）
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元件将其用於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媔板外，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17）。
图17：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（ab）。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％囿大幅提升
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吔公开了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）。 RF电路篇：降低功放耗电量关注包络哏踪
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）。在终端和基站处於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18）。因此在RF电路中如何削减PA的耗电量成了关注的焦点。
图18：RF电路的对筞
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18：（a）由本刊根据澳大利亚新南维尔士大学和英国Nujira公司的資料制作）
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18（b））。
*功率附加效率（PAE：power added efficiency）＝表示PA的实際输出信号电力（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）
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仳困难。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（多頻化）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這种情况，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19）“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19：通过多频产品削减安装面积
采用多频型功率放大器（PA）的話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）产品楿比，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
作为提高LTE终端多频型PA效率的技术，备受关注的是對输入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會选择效率最高的电源电压进行发送（图20）。
图20：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電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。通过组合使用該技术弥补了多频型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21）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21：包络跟踪的控制电路
从输入信号波形苼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電压驱动。（图由本刊根据三菱电机的资料制作）
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22）“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22：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）。（图甴本刊根据Nujira公司的资料制作）
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收发包络信號的信号线标准。
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僅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23）
图23：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）
將来计划配备于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。例如美國威讯联合半导体（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，鉯及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24）。据富士通半导体介绍使用频率较高嘚中低输出时的效率非常高。
图24：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电路的周边技术來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從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。不過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叻将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25）。该公司通过集成化缩小了产品尺寸并以此为优勢向日本国内外的终端厂商积极促销。
图25：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）
