ההשפעה של כוח Amplifier יעילות על חיי סוללה במכשירים ניידים

חיי סוללה הם אחד המדדים החשובים ביותר עבור מכשירים אלקטרוניים ניידים - טלפונים חכמים, טבליות אלחוטיים, אוזניות חכמות, חיישנים IoT תלויים ניהול חשמל יעיל לספק זמן שימוש משמעותי בין טעינות.בלב של כל משדר אלחוטי הוא המגבר כוח (PA), מרכיב אחראי על שיפור אותות אנרגיה נמוכה לרמה המתאימה עבור שידור באמצעות יעילות של כוח באמצעות יעילות של כוח הרחם, אפילו עבור יעילות סוללה יעילה הרבה יותר מאשר כוחן של כוח הרחם של כוח רצון יעיל של כוח רצון, כמו גם עבור יעילות סוללה יעילה יותר מאשר כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח, כמו גם עבור יעילות סוללה, כמו גם עבור יעילות סוללה יעילה של כוח רצון יעיל של כוח סוללת כוח סוללת כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של מערכת יחסים יעילה יותר מאשר כוח, כמו גם עבור יעילות סוללה, כמו גם עבור שיפור יעיל של מערכת יחסים יעילה יותר מאשר כוח סוללת כוח סוללת כוח רצון יעיל של כוח רצון יעיל של כוח רצון

הבנה של כוח Amplifier Efficiency

יעילות מגבר כוח מוגדרת כיחס של כוח התפוקה של RF (PigFLT:0outcioFLT:1) ל- DC קלט כוח (PIRLT:2DCIRLT 3) נצרך מהסוללה:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ערך יעילות גבוה יותר פירושו ששבריר גדולה יותר של כוח הסוללה הופכת לאנרגיה אות משודרת.במונחים מעשיים, הרש"פ שפועלת ב- 60% יעילות תבזבז רק 40% מכוח הקלט כחום, בעוד שאחד מ-30% מיעילותו מאבד 70% - הבדל דרמטי בתנוחתמת חום וסוללה.

מקורות מרכזיים של אובדן כוח ב-Power Amplifiers

חוסר יעילות נובע ממספר מנגנונים פיזיים בלתי נמנעים:

  • (ב) אובדן:0) הפסדי ניכוי: 1FLT: חימום חיסוני בערוץ הטרנסיסטטור וחיבורים בין-אישיים.
  • (ב) [15] ,9) ,2 ,2 ,2 ,2 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) דור הירומניקה: 1FLT:1 Non-Lironities יוצר רכיבים בתדרים המסוננים ומבוזבזים.
  • (ב) שיעור ה-FLT:0) מעל לראש: שיעור קוויר 1 (FLT:1) דורש זרם הטיה קבוע של DC, גם כאשר אין אותות RF נוכחים.

הפסדים אלה אינם טריוויאליים.בסמארטפון רגיל של 4G LTE, הרש"פ יכולה לצרוך יותר מ-30% מכוח העברת שרשרת הכולל, מה שהופך את יעילותה למנוף הזמנה ראשונה עבור אופטימיזציה של סוללות.

Power Amplifier הכיתות ו-Efficiency Trade-Offs

מגבר מסווג על ידי זווית ההתנהגות שלהם ואת טופולוגיה המעגל, אשר ישירות לקבוע יעילות מקסימלית תיאורטית.בחירה של הכיתה היא החלטה עיצובית בסיסית אשר מאזן ליניאריות, רוחב פס ויעילות.

דרגה A

מגברי כיתה מבצעים את זרם מחזור 360 מעלות כולו.הם מציעים לינאריות מעולה אבל סובלים מיעילות מקסימלית תיאורטית של רק 50% - ובפועל לעתים קרובות לשבת סביב 20-30%.הטיה הקבועה שלהם מנקזת את הסוללה ברציפות, מה שהופך אותם ללא מתאימים למכשירים מופעלים סוללות ניידים, למעט היכן לינאריות קיצונית נדרשת (למשל, כמה ציוד בדיקה).

דרגה B ו- Class AB

Class B מגברים עושים רק במחצית של המחזור (180°), העלאת יעילות תיאורטית ל-78.5%.עם זאת, הם מציגים עיוותים מעבר לדרגה. ClassAB מגשרים את הפער על ידי הטיה מעט מעל חיתוך, המציע יעילות בטווח 50-65% תוך שמירה על לינאריות מקובלת. ClassAB נמצא בדרך כלל במורשת 2G3Gets ומודולים מסוימים של IoT לטווח בינוני.

דרגה C

מגברי כיתה C פועלים בפחות מ-180 מעלות ויכולים להשיג יעילות מעל 80%, אך הם מאוד לא לינאריים.הם משמשים בעיקר בתוכניות מודולציה קבועות של envelope (למשל, FM או קצת מכ"ם) אבל אינם מתאימים לסימנים מודרניים של אמפול-מדוכאים כמו 4G/5G.

דרגה D, E ו-F (Switching Amplifiers)

מעבר לרש"פ פועל את הטרנזיטור כ מתג, הופך אותו במלואו על (הטבעה) או לגמרי מחוץ (cutoff) באופן אידיאלי, לא מתח גבוה בו זמנית ונוכחים גבוהים, כך הפסדים מצטמצם.היעילות התאורית הגישה 100%, ומימוש מעשי להגיע 70-95% בהתאם לתדירות וליישום.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Class EveFLT:1) מעסיקה רשת מהדהדת לעצב מתח וגלימות גל נוכחיות כך שהמתגים הטרנסיסטורים באפס מתח או אפס הנוכחי, מצמצם את ההפסדים החפיפות.
  • (FLT:0) FClassigveFLT:1) משתמש בהפסקות הרמוניות כדי לעצב את מתח הפלט לתוך גל מרובע זרם לתוך גל חצי-אין, השגת יעילות תיאורטית של 100%.

מכשירים ניידים מודרניים מאמצים יותר ויותר עיצובים של Class E או Class F עבור הרשות התאית הראשית, במיוחד עבור רמות כוח 4G/5G שבו כל מילימטר של אנרגיה סוללה חשובה.

כיצד יעילות משפיעה באופן ישיר על חיי סוללה

ההשפעה של יעילות הרש"פ על חיי הסוללה יכולה להיות מכוונת על ידי בחינת האנרגיה הכוללת הנמשכת מהסוללה במהלך שידור.חשב כי טלפון חכם משדר בעוצמה RF ממוצעת של 200 מ"ר (23 dBm).

  • (FLT:0) עם רשות מחלקה AB ב-40% יעילות: גרף 1) כוח DC מסוללה = 200 mW / 0.4 = 500 mW. מעל שעה של שידור מתמשך, הסוללה חייבת לספק 500 מ"ו.
  • (FLT:0) עם רשות מסוג E 80% יעילות: גרף 1 (כוח DC=200 מ"ו / 0.8=250 מ"מ, צריכת רק חצי אנרגיה מאותה משימה.

במכשיר עם סוללה של 3,000 mAh ב 3.7 V (11.1 Wh), ניקוז 500 מ"ר יפחית זמן דיבור עד 22 שעות, בעוד 250 mW מרוקן אותו 44 שעות - באופן יעיל מכפיל חיי סוללה מהרכיב הבודד הזה.למעשה, השימוש ברש"פ סלולרי הוא לסירוגין משתנה עם כוח, אבל העיקרון מחזיק: כל אחוז של שיפורים מתורגם ישירות לתוך רווחי מדידה.

תפקיד הכוח וההתחמשות

תוכניות מודרניות (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, שלDM) דורשות לינאריות גבוהה כדי להימנע מהתערבות ספקטרום וערוצית צמודה. Amplifiers מופעלים בדרך כלל ברמת כוח מספר משקעים מתחת לנקודת הדחיסה 1 dB שלהם - אזור שבו יעילות היא נמוכה משמעותית.

כדי להקל על זה, מעצבים משתמשים בטכניקות כגון:

  • (FLT:0) Envelope מעקב: 1FLT 1 תואמים דינמי את מתח האספקה לעקוב אחר המעטפה RF, שמירה על הרש"פ באזור יעילות גבוהה על פני טווח רחב של כוח תפוקה.
  • (ב) [15] ,הקדמה לנישואין: [13] , התעלמות מהסימן הקלט כך שהלא-לינאריות של הרש"פ בוטלה, ומאפשרת לפעול קרוב יותר לשחיקה מבלי להפר את מפרט הליניטי.
  • (FLT:0) מעקב אחר כוח:FLT:1ir וריאציות איטיות יותר של מתח אספקה המבוסס על כוח ממוצע ארוך טווח, פשוט יותר מאשר מעקב אחר המעטפה אך עדיין מועיל.

חידושים אלה אומץ באופן נרחב ב 4G ו-5G לחיצות, עם מעקב מעטפה בלבד, רק על פי דיווחים, שיפור היעילות הכללית של הרש"פ ב-30-50% בתנאי הפעלה טיפוסיים.

גורמים המשפיעים על יעילות מוגברת בפרקטיקה

תדירות הפעלה ו Bandwidth

ככל שעולה תדירות, קיבולים טפיליים ו inductances in the transistor ואריזות לגרום הפסדים גדולים יותר.שיעורי Switching-mode סובלים מהפסדים מוגברים בתדרים רב-הרץ, כך מעצבים עשויים לבחור כיתות ליניאריות עם יעילות בינונית או לאמץ תהליכים מתקדמים של חנק למחצה. להקות רחבות של 5G (עד 6GHz ו- mmWave) מציבים אתגרים נוספים - ב-28 סיליקון, סיליקון- 30%, בעוד שבסיסוחם יכול להגיע ל- 30 אחוזים) ל-NRC (NRC) בעוד שבסיסוחם (NRC) ל- 50G (NRC) בעוד שבסיסו של 5G (עד 50G (עד ל-NRC) ולהשיג סיליקון) ולהשיג 6G (עד סיליקון) ולהשיג 6GHz) ולהשיג 6GHz) ולהשיג 6GHz ולהשיג 6GHz ולהשיג 6GHz ולהשיג 6GHz ולהשיג 6.8%) ולהשיג 6.8% ולהשיג סיליקון) להיות אתגרים נוספים - בעוד שבסיסו ל-NRCAvave) ולהשיג סיליקון) מציבים ל- 30 אחוז) ל- 30 אחוז) כדי להשיג יעילות סיליקון) כדי להשיג יעילות סיליקון) ולהשיג

איכות ואינטגרציה

חומרים איכותיים, capacitors, ו substrates להפחית הפסדים מנוגדים בתאים רשתות והפסקת הרמונית. Integrated פאסיביים (IPDs) וחומרים PCB אובדן נמוך (למשל, רוג'רס, מגטרון) הם קריטיים עבור צמצום יעילות minimizing.הבחירה של טכנולוגיית transistor - GaAs HBT, SiGe BiCMOS, CMOS, SOCMI, GN, לעומת תפקוד גבוה יותר, כמו GMT.

קוהרנטיות לעומת Efficiency Trade-Off

במערכות תקשורת, לינאריות אינה ניתנת להשגה לשימור נאמנות מודאלית (Switching-mode amplifiers) הן בלתי לינאריות מטבען ודורשות לינאריזציה חיצונית (למשל, FLT:0 ארכיטקטורת Doherty ArchitectFLT:1) או טרום-הדוטי הרש"פ, שהומצאה בשנת 1936, ראה חידושים בתחנות בסיס ואחרונה פועל על פני רמה גבוהה של מעל פני רמה גבוהה של מעל פני מדרגה ראשונה (מעל ל- 24%) או שיפור ראשוני) או שיפור גבוה יותר מגבר) או יותר מ- 24% מעל פני מדרגה ראשונה (מעל לרמה גבוהה יותר מ- 24%) או שיפור גבוה יותר מ- 24%) או שיפור גבוה יותר מ- 2, על פני מדרגה ראשונה (מעל ל- 2, על פני מדרגה ראשונה (מעל ל- 24%) או שיפור גבוה יותר מ-בייטבייטבטווח גבוה יותר מ-בחזרה) או שיפור גבוה מעל פני .

התקדמות טכנולוגית לשיפור היעילות במכשירים ניידים

Envelope Tracking (ET)

מעקב אחר Envelope הוא ככל הנראה החדשנות המשפיעה ביותר עבור יעילות הרש"פ במכשירים המופעלים על סוללות.במקום לספק מתח גבוה קבוע לרשות הפלסטינית, מערכת ET משתמשת ב- DC-DC במהירות גבוהה כדי לקבוע את מתח האספקה בזמן אמת עם מעטפה RF.הרש"פ תמיד פועלת ליד נקודת היעילות הגבוהה שלה.

גליום ניליד (GaN) Power Amplifiers

GaN HEMTs מציעים כמה יתרונות למכשירים ניידים: מתח התמוטטות גבוה (אפשר כוח תפוקה גבוה יותר ממתח נתון), ניידות אלקטרונים גבוהה (מעבר מהיר יותר), ו מוליכות תרמית מעולה, בעוד שטבעי מדי עבור לחיצות הצרכנים, GaN מופיע כעת במודולים בגובה 5G מ"מ ותחנות בסיס תאים קטנים.

Digital Predistortion (DPD)

DPD משתמש במעבד אות דיגיטלי (DSP) כדי לעצב את הלא-לינאריות של הרש"פ ולקדם את אות הבסיס, ביעילות לינארית הרש"פ ומאפשרת לו לפעול קרוב יותר לשתקה.טכניקה זו מעבירה את הנטל ליניארי מחומרה אנלוגית לאלגוריתמים דיגיטליים, ומאפשרת שימוש ביעילות רבה אך לא לינארית להחליף מגברות.

טרנדים מתקדמים

CMOS PA אינטגרציה ב 28 nm ולמטה אפשרה ל- יחיד-chip Transceivers שבו לולאות בקרה דיגיטליות (DPD, ET) coexist עם מעגלים RF אנלוגיים.תבנית משותפת זו מאפשרת לולאות אופטימיזציה הדוקות יותר ומפחיתה את צריכת החשמל מממשקי אינטר-צ'יפ.לדוגמה, ה- 5G הניידים האחרונים משלבים את הרש"פ ל- השבבים הראשיים, חוסכים את החלל והאנרגיה.

השלכות על עיצוב התקנים וחווית המשתמש

ניהול ארס

הרשאות לא יעילות לייצר חום עודף, אשר חייב להיות מתפזר באמצעות המכשיר עכבות.בגורמים בצורת קומפקטי (טלפונים, עונדים), מגבלות תרמיות מגבילות לעתים קרובות את כוח העברת החשמל המקסימלי או את מחזור החובה.שיפור יעילות הרש"פ מקטין את הדור החום, ומאפשר ביצועים גבוהים יותר מתמשכת ללא הידבקות תרמית.זה משפיע ישירות על אמינות - חוויות הרש"פ קרירות פחות על זמן.

סוללה ו- Form Factor

כאשר הרש"פ צורכת פחות כוח, יצרני מכשירים יש שתי אפשרויות: לשמור על אותה סוללה להאריך זמן, או לכווץ את הסוללה כדי להפחית את גודל / משקל תוך שמירה על זמן ריצה הנוכחי. עבור עונדים וניתן לשמוע, האחרון הוא לעתים קרובות יותר יקר. הפחתה של 50% בצריכת החשמל של הרש"פ יכולה לאפשר סוללה קטנה 20%, שחרור שטח עבור תכונות אחרות או עיצוב דק יותר.

ניסיון משתמש: זמן דיבור, עמידה ומפגשי נתונים

עבור צרכנים, ההשפעה הגלויה ביותר היא זמן דיבור ומשך זמן מפגש נתונים. 5G NR הוא במיוחד כוח-hungry: מוקדם 5G מודמים להגביר את צריכת כוח המכשיר על ידי 1.5-2 פעמים בהשוואה ל- 4G. Efficient PA עיצוב, בשילוב עם שינה אגרסיבית ומעטפה, צר את הפער הזה - 5G מודרני יכול להשיג חיי סוללה דומים ל- 4G מודלים, בעיקר הודות לשיפורים של PA ו-end.

דוגמאות ומדד נתונים

מעבדות בדיקה עצמאיות לעתים קרובות מותאמות חיי סוללה תחת שימוש סלולרי.לדוגמה, ה-iPhone 14 Pro מקס משתמש ב-PA המשולב של 5G, לתרום ליותר מ-25 שעות של זמן השמעת וידאו ללא ET, כגון טלפונים לאנדרואיד תקציביים, לעתים קרובות לראות 15-20% שיחות קצרות יותר בקיבולת סוללה דומה.ביישומים IoT כמו מ"מ חכמה"ל-B-, IoT לעומת 70% יכול להיות הבדל בין 10 שנים לסוללות קריטיות בלבד.

תחזית לעתיד: 6G ומעבר

כמו מערכות אלחוטיות לדחוף לעבר תדרים גבוהים יותר (להקות צוללות) וצורות גל מורכבות יותר (למשל, OTFS), יעילות הרש"פ תישאר אתגר מרכזי.

  • (ב) ,0) , מוזג מאוזן (בלטינית: 1)
  • קואר-אסד להחליף מגבר
  • מכונות למידה מבוססת הסתגלות

הבטחת לדחוף את יעילות הרש"פ המשולבת מעבר ל-90% אפילו בתדרים של מ"מ וייב.העיצוב משותף עם אנאנטנות (למשל, מערךים שלביים) מציע גם הזדמנויות להפיץ כוח בצורה חכמה יותר, להפחית את הצורך ברש"פ בעלות כוח גבוה במערכות מחשוב.

מסקנה

יעילות מגבר כוח היא גורם מרכזי בקביעת חיי הסוללה למכשירים ניידים, השולט בקצב שבו אנרגיה מאוחסן מומרת לעוצמה RF ברת-קיימא.ממנהת המסחר הטמונים של כיתות מגבר לחידושים מודרניים כמו מעקב אחר המעטפה, GaN Transistors, ו-Predistortion דיגיטלית, כל אחוז של יעילות מתקדמת ישירות מרחיבה את זמן הפעולה או מאפשרת גורמים קטנים יותר.