eng
Рассмотрены причины, по которым компания Apple со временем снижает тактовую частоту процессоров на старых моделях смартфонов iPhone. Отмечено, что решение Apple – не хитрая маркетинговая схема. Специалисты компании делают то, что должны, для обеспечения отказоустойчивости устройств своих клиентов.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.177.6.134.135
УДК 621.35:004.31 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.177.6.134.135
УДК 621.35:004.31 | ВАК 05.27.01
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ[1]
Литий-ионные аккумуляторы используются в мобильных устройствах преимущественно благодаря их высокой удельной энергоемкости, что чрезвычайно важно для современной электроники. К примеру, в планшете iPad 5 аккумулятор занимает более 60% площади его корпуса! То есть масса и конструкция электронных устройств в значительной мере зависят от размеров этого элемента.
Всем хочется, чтобы аккумулятор долго сохранял заряд, но при этом был не слишком громоздким и тяжелым. Инженеры пытаются найти золотую середину между удобством использования устройства и временем его работы от аккумулятора.
Для понимания проблемы, возникшей у Apple, необходимо иметь представление об ограничениях, свойственных литий-ионным аккумуляторам. В них используются химические реакции, в результате которых появляются ионы лития. Они перемещаются между катодом (LiCoO2) и анодом (графит) через специальный барьер (сепаратор). Ионы, проходящие через электролит, способны пересекать этот барьер. Электроны сделать этого не могут, поэтому они передаются в цепь нагрузки. Посмотрим, как ведут себя электроны в полуреакциях на катоде и аноде.
Полуреакция на катоде:
CoO2 + Li+ +e– ←→ LiCoO2.
Полуреакция на аноде:
LiC6 ←→ C6 + Li+ + e–.
Если есть цепь для протекания электронов, то химическая реакция происходит. Если нет – аккумулятор находится в состоянии равновесия и сохраняет заряд.
При этом нужно учитывать один нюанс – возраст аккумулятора. Со временем литий-ионные аккумуляторы начинают терять емкость, в том числе из-за изменений, происходящих в их электродах. Испытания, проведенные сайтом Battery University, показали, что емкость литий-ионных аккумуляторов спустя 250 циклов зарядки снижается на 20%.
Уменьшение емкости – не единственная проблема при старении литий-ионных аккумуляторов. Они также теряют способность вырабатывать высокие токи. Уровень вырабатываемого тока напрямую зависит от скорости протекания химической реакции: чем быстрее реакция, тем выше сила тока.
Ток, который способен вырабатывать аккумулятор – важный критерий его выбора. Обычно требуемое значение известно, поэтому определить подходящий для устройства аккумулятор не составляет труда. Но спустя несколько лет характеристики аккумулятора снижаются, а устройству требуется та же мощность.
Также большую роль играют условия окружающей среды. Как и во многих химических реакциях, большое значение имеет температура. Чем она ниже, тем медленнее протекают реакции. По мере уменьшения скорости реакции снижаются пиковые значения силы тока. В сочетании с возрастом и выработкой ресурса аккумулятора это может усугублять проблему.
Таким образом, в определенный момент аккумулятор может не выдать требуемую мощность.
ПРОЦЕССОРУ НУЖНА МОЩНОСТЬ
Ресурсоемким вычислительным задачам, таким как мобильные игры, нужна значительная мощность. Например, играм с виртуальной реальностью необходимы усовершенствованные алгоритмы обработки видео и аудио, наличие мобильной связи, трехмерная визуализация и возможности обработки данных акселерометра – и все это в реальном времени. Телефоны разработаны так, что могут справляться с подобными нагрузками.
Но что происходит, когда характеристики аккумулятора ухудшаются и его мощности становится недостаточно?
Если процессор не получает необходимого питания, возрастает задержка распространения сигналов через логические элементы. Но процессоры рассчитаны на определенную задержку распространения, с которой связана частота тактовых сигналов. Поэтому снижение мощности аккумулятора может привести к нарушениям в работе процессора.
Что происходит в этом случае? Хорошо спроектированные устройства распознают наличие проблемы и сигнализируют об ошибке. Менее качественные изделия могут внезапно выключиться, или их электронные компоненты могут быть повреждены.
Для подтверждения сказанного процитируем обращение Apple по этому поводу:
«Наша цель – дать своим клиентам лучшее, в том числе обеспечить максимальную эффективность и продлить срок службы их электронных устройств. Мощность литий-ионных аккумуляторов в условиях низкой температуры, по мере разряда или с течением времени снижается, в результате чего устройство может внезапно выключиться для защиты электронных схем.
В прошлом году мы разработали для iPhone 6, iPhone 6s и iPhone SE функцию, позволяющую при необходимости сгладить скачки и защитить устройство от внезапного выключения в перечисленных условиях. Теперь мы применили эту же технологию для iPhone 7 с iOS 11.2 и в будущем планируем снабдить ею другие наши устройства».
Так что же предпринимают инженеры Apple для продления срока службы устройств?
КАК iPhone СПРАВЛЯЕТСЯ С УХУДШЕНИЕМ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРА
Специалисты Apple решают проблему с двух сторон.
Первый подход заключается в снижении тактовой частоты центрального процессора (ЦП) телефона. Этот метод можно назвать «торможением». Уменьшение мощности, вырабатываемой аккумулятором, как отмечалось выше, приводит к увеличению задержки распространения сигналов в процессоре. Снижение тактовой частоты ЦП обеспечивает достаточный запас времени для компенсации пониженной скорости распространения сигнала.
Второй подход – «продуманная работа». По сути, инженеры Apple стремятся к тому, чтобы распределить ресурсоемкие вычислительные процессы так, чтобы максимально снизить нагрузку на аккумулятор.
Одновременное использование двух подходов должно помочь владельцам более старых моделей iPhone. Однако это слабое утешение, если телефон работает с низкой тактовой частотой. Например, один из владельцев iPhone рассказал (https://twitter.com/sam_siruomu/status/943400254451335168), что тактовая частота процессора его iPhone 6 составляла 600 МГц (и увеличилась до 1 400 МГц после замены аккумулятора).
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Как избежать такой ситуации? Во-первых, нужно беречь аккумулятор: не давать ему перегреваться, особенно если он полностью заряжен или работает в активном режиме; использовать более низкие значения напряжения при зарядке – это продлит срок службы устройства, хоть и потребует больше времени на зарядку.
Во-вторых, рекомендуется менять аккумулятор через каждые 350–500 циклов заряда. Они стоят не так уж и дорого, а при этом могут, как уже отмечалось, значительно повысить производительность устройства.
Разработчикам устройств, в которых применяются литий-ионные аккумуляторы, стоит иметь в виду, что удобство их использования может зависеть от управления питанием.
Обеспечьте достаточный приток воздуха в отсеке для аккумулятора. Подумайте, должна ли быть возможность его обслуживания пользователем. Запланируйте ухудшение характеристик аккумулятора со временем, как в процессе его выбора, так и при проектировании схем управления питанием. Не бойтесь последовать примеру Apple и соотнесите производительность вашего устройства с состоянием его аккумулятора. Лучше, если создаваемое устройство будет работать несколько медленнее, чем если оно сгорит или периодически будет давать сбой.
Таким образом, решение Apple – не хитрая маркетинговая схема. Специалисты компании делают то, что должны, для обеспечения отказоустойчивости устройств своих клиентов. ●
Литий-ионные аккумуляторы используются в мобильных устройствах преимущественно благодаря их высокой удельной энергоемкости, что чрезвычайно важно для современной электроники. К примеру, в планшете iPad 5 аккумулятор занимает более 60% площади его корпуса! То есть масса и конструкция электронных устройств в значительной мере зависят от размеров этого элемента.
Всем хочется, чтобы аккумулятор долго сохранял заряд, но при этом был не слишком громоздким и тяжелым. Инженеры пытаются найти золотую середину между удобством использования устройства и временем его работы от аккумулятора.
Для понимания проблемы, возникшей у Apple, необходимо иметь представление об ограничениях, свойственных литий-ионным аккумуляторам. В них используются химические реакции, в результате которых появляются ионы лития. Они перемещаются между катодом (LiCoO2) и анодом (графит) через специальный барьер (сепаратор). Ионы, проходящие через электролит, способны пересекать этот барьер. Электроны сделать этого не могут, поэтому они передаются в цепь нагрузки. Посмотрим, как ведут себя электроны в полуреакциях на катоде и аноде.
Полуреакция на катоде:
CoO2 + Li+ +e– ←→ LiCoO2.
Полуреакция на аноде:
LiC6 ←→ C6 + Li+ + e–.
Если есть цепь для протекания электронов, то химическая реакция происходит. Если нет – аккумулятор находится в состоянии равновесия и сохраняет заряд.
При этом нужно учитывать один нюанс – возраст аккумулятора. Со временем литий-ионные аккумуляторы начинают терять емкость, в том числе из-за изменений, происходящих в их электродах. Испытания, проведенные сайтом Battery University, показали, что емкость литий-ионных аккумуляторов спустя 250 циклов зарядки снижается на 20%.
Уменьшение емкости – не единственная проблема при старении литий-ионных аккумуляторов. Они также теряют способность вырабатывать высокие токи. Уровень вырабатываемого тока напрямую зависит от скорости протекания химической реакции: чем быстрее реакция, тем выше сила тока.
Ток, который способен вырабатывать аккумулятор – важный критерий его выбора. Обычно требуемое значение известно, поэтому определить подходящий для устройства аккумулятор не составляет труда. Но спустя несколько лет характеристики аккумулятора снижаются, а устройству требуется та же мощность.
Также большую роль играют условия окружающей среды. Как и во многих химических реакциях, большое значение имеет температура. Чем она ниже, тем медленнее протекают реакции. По мере уменьшения скорости реакции снижаются пиковые значения силы тока. В сочетании с возрастом и выработкой ресурса аккумулятора это может усугублять проблему.
Таким образом, в определенный момент аккумулятор может не выдать требуемую мощность.
ПРОЦЕССОРУ НУЖНА МОЩНОСТЬ
Ресурсоемким вычислительным задачам, таким как мобильные игры, нужна значительная мощность. Например, играм с виртуальной реальностью необходимы усовершенствованные алгоритмы обработки видео и аудио, наличие мобильной связи, трехмерная визуализация и возможности обработки данных акселерометра – и все это в реальном времени. Телефоны разработаны так, что могут справляться с подобными нагрузками.
Но что происходит, когда характеристики аккумулятора ухудшаются и его мощности становится недостаточно?
Если процессор не получает необходимого питания, возрастает задержка распространения сигналов через логические элементы. Но процессоры рассчитаны на определенную задержку распространения, с которой связана частота тактовых сигналов. Поэтому снижение мощности аккумулятора может привести к нарушениям в работе процессора.
Что происходит в этом случае? Хорошо спроектированные устройства распознают наличие проблемы и сигнализируют об ошибке. Менее качественные изделия могут внезапно выключиться, или их электронные компоненты могут быть повреждены.
Для подтверждения сказанного процитируем обращение Apple по этому поводу:
«Наша цель – дать своим клиентам лучшее, в том числе обеспечить максимальную эффективность и продлить срок службы их электронных устройств. Мощность литий-ионных аккумуляторов в условиях низкой температуры, по мере разряда или с течением времени снижается, в результате чего устройство может внезапно выключиться для защиты электронных схем.
В прошлом году мы разработали для iPhone 6, iPhone 6s и iPhone SE функцию, позволяющую при необходимости сгладить скачки и защитить устройство от внезапного выключения в перечисленных условиях. Теперь мы применили эту же технологию для iPhone 7 с iOS 11.2 и в будущем планируем снабдить ею другие наши устройства».
Так что же предпринимают инженеры Apple для продления срока службы устройств?
КАК iPhone СПРАВЛЯЕТСЯ С УХУДШЕНИЕМ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРА
Специалисты Apple решают проблему с двух сторон.
Первый подход заключается в снижении тактовой частоты центрального процессора (ЦП) телефона. Этот метод можно назвать «торможением». Уменьшение мощности, вырабатываемой аккумулятором, как отмечалось выше, приводит к увеличению задержки распространения сигналов в процессоре. Снижение тактовой частоты ЦП обеспечивает достаточный запас времени для компенсации пониженной скорости распространения сигнала.
Второй подход – «продуманная работа». По сути, инженеры Apple стремятся к тому, чтобы распределить ресурсоемкие вычислительные процессы так, чтобы максимально снизить нагрузку на аккумулятор.
Одновременное использование двух подходов должно помочь владельцам более старых моделей iPhone. Однако это слабое утешение, если телефон работает с низкой тактовой частотой. Например, один из владельцев iPhone рассказал (https://twitter.com/sam_siruomu/status/943400254451335168), что тактовая частота процессора его iPhone 6 составляла 600 МГц (и увеличилась до 1 400 МГц после замены аккумулятора).
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Как избежать такой ситуации? Во-первых, нужно беречь аккумулятор: не давать ему перегреваться, особенно если он полностью заряжен или работает в активном режиме; использовать более низкие значения напряжения при зарядке – это продлит срок службы устройства, хоть и потребует больше времени на зарядку.
Во-вторых, рекомендуется менять аккумулятор через каждые 350–500 циклов заряда. Они стоят не так уж и дорого, а при этом могут, как уже отмечалось, значительно повысить производительность устройства.
Разработчикам устройств, в которых применяются литий-ионные аккумуляторы, стоит иметь в виду, что удобство их использования может зависеть от управления питанием.
Обеспечьте достаточный приток воздуха в отсеке для аккумулятора. Подумайте, должна ли быть возможность его обслуживания пользователем. Запланируйте ухудшение характеристик аккумулятора со временем, как в процессе его выбора, так и при проектировании схем управления питанием. Не бойтесь последовать примеру Apple и соотнесите производительность вашего устройства с состоянием его аккумулятора. Лучше, если создаваемое устройство будет работать несколько медленнее, чем если оно сгорит или периодически будет давать сбой.
Таким образом, решение Apple – не хитрая маркетинговая схема. Специалисты компании делают то, что должны, для обеспечения отказоустойчивости устройств своих клиентов. ●
Отзывы читателей
