电池采取中心舞台

对于任何移动电子设备,最大的限制因素是大小、年龄、类型和电池的使用。

电池技术是改善在多个领域。电池本身正变得更有效率。单位面积,它们存储更多的能量和提供更快的充电工作正在进行,增加能量的百分比,可以使用,以及电池本身的密度。但仍可能还不够,因为越来越多的功能被添加到设备,以及越来越多的设备需要电池作为他们的主要能量源,其中有许多不间断特性不断地消耗电池。

“因为无处不在的移动计算和移动电子产品,它的临界刚刚提出,“罗伯Knoth说,产品管理集团董事、数码和验收小组节奏。“如果你想到一些早期的电子系统设计,最糟糕的事情会发生当你的电池用完了,你必须改变你的随身听的原子吸收光谱法。今天,比这大得多。思考你的车不能走马路或你的导航系统是黑暗的,你不知道你在哪里或如何回来。或者,如果你想放置在偏远地区的电子产品,你需要一个探险队到为了改变电池在偏远的监测站。所以有更多的应用程序,他们是今天更重要。”

所有的这些都是紧密交织在一起。当电池正在改善,芯片正变得更有效率,也更复杂的分区和优先级的各种功能限制它们需要多少能量和浪费。

“在更多的下一代系统的技术挑战,大部分的电池设计问题已经很长一段时间——消费者想要更小,更聪明的解决方案和更长的电池寿命,”说芙蓉Sheerin,首席工程师对模拟电源芯片和接口部门。”来满足这些要求,终端产品需要包含电源路径管理切换充电和放电的电池。他们需要得到最可能从电池效率。他们需要跟踪可用功率的电池。他们需要调节的输出,电池可接受任何连接到电池的供应输出。”

电池技术并不是静止的。“近年来,已经有额外的兴趣异国收取资料新颖的化学电池,电池平衡电池越来越大的银行,并可能回收用过的电池(能力)下降到新的应用程序,”Sheerin说。“此外,仍然还有一个便携式消费应用程序空间寻找尽可能最小的袖珍的解决方案。这些需求转化为各种硅需求——越来越大的压力,要求用较少的资源做更多的计算能力,监控电源遥测(电压和电流输入或输出)更紧密,创建可配置的电池充电系统,和所有在更少的空间,用更少的重量,和更多的可靠性。”

这是一个艰巨的任务,考虑到电池的能量可以每年故事增加了大约5%。

“今天的设计师,每个皮瓦都很重要,每一个微微焦耳非常重要,“Knoth说。早些时候,设计行动是关键在能源效率更高的股息或储蓄。“无论是从软件角度或硬件的角度来看,获取信息和早些时候更准确,意味着更大的收益。如果你没有得到这个信息直到设计周期,这是传统方法——如果你等到太晚了获取数据,你有能力使一个巨大的变化,产生很大的影响,是非常有限的。但越多,我们可以预测,更多的,我们可以给你洞察终端能源效率将是什么样子的,你可以做一个架构级改变越多,这是你得到了25%而不是5%的涨幅。”

电池技术的经济正在发生变化,。据美国能源部,电动汽车锂离子电池组价格在2008 - 2021年间下降了87%。现在每千瓦时成本估计为157美元,与2008年的1237美元/千瓦时。

图1:电动汽车电池组价格下跌。资料来源:美国能源部门

这个成本下降在很大程度上是一个函数的需求稳步上升随着时间的推移,和匆忙,为了满足他们的需求,更可预见的供应,增加了生产能力,成熟的过程——所有这些实现规模经济至关重要。

更好的电池需求密切相关的计算量已经转移到网络的边缘。它占用太多带宽和能源将一切来回发送到云,花了很长时间得到的结果。解决方案是将处理接近源,进而增加的加工需要用电池供电。

更多的能源效率
任何设备连接到一个电池需要电池寿命最大化。因为只有这么多额外的能量,可以画出一个电池,下一步是电子产品本身的效率最大化。这个挑战是相同的手机,一个物联网设备,或一个笔记本电脑,它始于量化一个特定特性或功能使用多少能量。

“今天绝对是一个需要设计测量芯片实时的能耗”Pierre-Xavier托马斯说,技术战略营销小组主任节奏的IP组。“你需要了解哪些不同功耗状态,这样可以扩展用户体验。”

可以帮助确定哪个应用程序应该或不应该运行在任何时候,根据电荷是留在电池。但是这种粒度对延长电池循环至关重要,设计团队了解越多,各种设计决策的影响在能源效率和功耗,电池将持续的时间越长。

卡齐Faheem Ahmed)主要产品经理西门子EDA指出,这应该在RTL级开始。“这就是最货真价实的爆炸。包括有效的微架构,更节能,和不同的频率,有多个时钟域,把一些东西更低或更高频率相同的性能点。”

但这一切只是一个起点。如果产品权证投资,可以显著减少能源消耗在整个设计过程。

“假设我们想要更节能2%或5%,”艾哈迈德说。“这可能提高功率效率在IP水平或块的水平。真正导致能源效率在设计水平在系统层面上,你怎么做?一种方法是计算能量和看到的力量和能量。与完整的soc和可能在更大的尺度上,在IP层,你可以做类似的事情。”

创新周围
这受到新的应用程序,如AR /虚拟现实眼镜,汽车电子,电池寿命是至关重要的,低效率往往导致多余的热量。

“电源模块提供一个电源转换与集成磁组件,可以执行荷载点功率转换为一个特定的负载,允许更有效率高电压输电在应用程序中,“Sheerin说。“综合提高转换器是一种常见的除了许多硬币从锂离子电池运行的物联网应用程序,因为他们可以把电池输出电压(从3.2到2.6 v的不同取决于电池充电水平),迫使一个标准,恒压可靠地运行应用程序(可能是3.3 v或5 v)。此外,电力监控设备和高精度adc可以提供精确的电池燃料计量。对于高功率系统,碳化硅(原文如此)功率晶体管和二极管可以帮助维持功率效率充电或放电时电池的大型银行。”

堆栈,合作设计软件和硬件可以显著提高电池寿命,以及性能。苹果的M1处理器,基于手臂处理器核心,就是一个例子。包含新笔记本电脑芯片,是专门为MacOS开发的,与之前的模型相比增加了一倍以上的电池寿命。

从软件到硬件”这个链接是一个最大的机会我们看到,因为我们生活在一个世界里,软件将会是很多创新发生在新功能方面,创新等等,“说总裁Sancheti,高级营销主任Synopsys对此设计团队。“权力是一个最有趣的领域从芯片设计或SoC设计的角度来看,因为它触动你的设计流程的各个方面,并延伸到软件的能力。”

戈德温-梅宾,Synopsys对此研究员、低功耗架构师,同意了,指着关闭电路之间的平衡和快速推动。既会影响电池寿命,这是至关重要的设备,如智能手机、电池的大小是固定的。

“我需要关掉我的芯片节约用电的方方面面,”-梅宾说。“但问题是,如果一切都是关闭的,如果有人打电话给你的电话,它需要快醒来。唤醒时间是至关重要的。如果需要再醒来给我电话,我会想念它的。因此设计师必须关闭时间和唤醒时间管理。关键是电源完整性,看着有多好我的动力输送网络(生产)。还有他们正在使用的新技术。例如,在最新的手机,人们做新的状态验证。状态验证手段确定由一个类系统的功率状态。从历史上看,它可以打开或关闭,这是已经完成。 Now, they want to do partially on, partially off. They want to introduce for state logic. What this means is depending upon the wakeup time requirement, I can go to partially on because I can have the phone wake up faster. All the tools are now moving toward, ‘How do I support state verification,’ because of the way we are trying to reduce the idle time.”

结论
在该地区有多个驱动增长涉及改进的电池技术和更高效的使用这些电池能量的扩展。这是必须的,因为更多的设备都是脱离插头和推出新的电池设备。

“汽车应用程序,尤其是电动汽车最大的增长动力电池应用的今天,“微芯片的Sheerin说。“物联网,可再生能源,和数据中心的应用程序也导致电池系统的扩散。”

改变的是预计多少这些设备断开连接数小时,或在某些情况下。电池现在任何设计决策不可或缺的一部分,他们迫使大变化设计芯片和电子系统,依靠他们。