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手机发展趋势给显示屏设计带来新挑战

2010-04-06 16:51
科技潮人
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        过去几年,手机设计在体积、样式和功能等方面发生了许多很大的变化。在2005年,数码照相机和彩色LCD显示屏已成为4亿多手机、甚至包括入门级手机的标配。同时,手机具有更长的通话时间,且增加了诸如彩铃和MP3立体声播放等多媒体功能,而手机的结构尺寸却更小更薄。此外,像滑盖和旋转等新型手机也加入到版型和翻盖手机统治的主流行列。这些新款式的创新设计充分利用了内置照相机功能。蓝牙也已作为一个重要功能被整合进越来越多的手机中,以支持免提通话及音乐播放。随着该功能的普及,因不再非要将手机拿在手中或用一条挂链吊在脖子上,所以这种趋势可能会影响手机设计。上述趋势导致的结果就是,在手机中能采用更大的LCD屏却不会对手机的基本功能产生多大妨碍。在诸如新近出现的支持视频的MP3播放机和先进的数码照相机这类数字消费产品中,也可见证这一趋势;在这些产品中,在体积不增加的条件下,LCD显示屏越来越大,而在某些例子中产品的体积实际上还变小了。

        网络领域一些翻天覆地的变化也对手机设计带来影响。首先是2G网络中的数据新业务的广泛采用,以及即将出现的支持网络浏览等更丰富的数据业务的3G网络。而CDMA网络中的具有更宽带宽的HSDPA(高速下载分组服务)和EV-DO能够提供了更高的吞吐量,从而能够传输图像、
数据和流媒体,且同时还减少了等待时间并降低了每百万位数据的传输成本。这意味着不久的将来,用户就能在等火车、公共运输工具或约会前这段短暂时间内,可以欣赏“即按即看(push-to-watch)”视频业务,来观看最新的体育集锦、新闻、天气预报和电影片段。在这种“选取”式业务外,还开始专门为基于DVB-H(数字视频广播-手持)和DMB(数字多媒体广播)标准的手机开通了数字电视广播。RIM公司的黑莓手机基于电子邮件业务的成功推出以及手机操作系统更广泛的增值业务,正在推动智能手机的快速增长,市场研究公司In-stat预计,2009年将卖出1.2亿部智能手机。手机中的另一项改变是内置了GPS和基于位置的业务,这些业务能在紧要关头(例如美国众所周知的E-911)为你提供准确定位,它们还有助于将地图下载到手机内以辨别方向。但若显示屏不明快、不清晰或不好辨识,则这些服务将派不上太大用场,这些要求推动着采用更大的TFT-LCD显示屏以及像素更高的有源矩阵OLED显示技术以显示这些信息丰富的内容。

        在手机内整合照相机功能是促使手机显示屏从单色向彩色转变的主要趋势之一。起初,这些成像器具有很低的分辨率,拍摄的画面质量很差。但如今分辨率有了长足改善,相片的分辨率已从VGA(0.3M像素)水平改进为1到2百万像素水平,且正快速向卓越的3百万像素数码照相机这样的手平迈进。随着成像器、处理器和软件的改善,消费者企盼着手机内能具有诸如闪光灯、暗光条件下的拍摄能力,甚至具有自动对焦这样的更多的数码照相机特性。一旦具有了这样的分辨率水平,就能拍出高质量的图像以及用来欣赏图像和视频。这些更高密度的CMOS成像器需要来自被摄物体更多的反射光,所以进一步推动了对内置闪光灯功能的需求。对设计师来说,将传统的氙(XENON)闪光灯放进已经非常紧凑的手机是个挑战,因为氙闪光灯需要大体积的高压滤波电容,且灯泡本身及相关的变压器和电路也占用空间。另外,传统的闪光灯不适用于视频捕捉功能。

        幸运的是,LED制造商一直通过使用像InGaN(铟镓氮化物)这类的新材料以提高LED的亮度,还通过半导体制造技术的创新及封装技术的改进,增加产生的光亮度及电-光转换效率。为达到最高的光亮输出,许多这样的大功率LED需要400mA或更大的电流,采用的激励脉宽在50-200ms之间。但对于视频操作,需要降低电流,且激励时间不局限于单个脉冲。另外,基于空间限制和人体工程学方面的考虑,照相机模块一般集成在显示屏的后面或顶部以便用户能将LCD用作取景器以调适捕捉的图像。在翻盖式手机中,这种布局特别常见。成像器和镜头机构也可以被旋转以支持在视频会议模式将手机用于面对面的摄录。因3G网络有足够的带宽支持视频会议,这种构造在为3G网络设计的手机中也许会更为流行。

        在回顾这些趋势后,几件事变得明朗:显示质量和分辨率在增加;另外,显示屏变得更大,特别是多媒体功能丰富的手机更是如此。手机用户将可享有丰富的内容,它们包括:视频(流媒体或广播)、上网及收发电子邮件、图片摄录和回放、游戏、下载地图、接收天气/交通信息以及新闻提示等功能。这样,当手机不在通话时,显示屏将更频繁地使用。但若手机电池使用时间有限,则这些服务提供的便利将打折扣,所以,包括显示屏和键盘背光在内的高效的系统电源管理就很重要。还有,像照相闪光灯这类在过去仅属于高端手机的特性可能成为标准配置。

        这些要求为设计白光LED背光驱动器提出了有趣的挑战。大显示屏意味着必须对更大区域进行背光。所以需改进驱动器的总体效率。空间有限,所以必须在单一封装内整合进更多功能,因为不仅要考虑面积,还必须缩小厚度,其中特别是滑盖和翻盖式手机更有这样的要求。在过去5年中,安森美半导体一直专注于白光LED驱动器的开发,且已开发出并为市场成功提供了一系列的驱动器产品,并且正在继续这方面的工作,以支持日新月异的手机市场。手机内用于白光LED驱动器的两个主要模块分别是:感应升压转换器和电荷泵驱动器;在转换器那里,所有LED被串联成一串,而在电荷泵那里,用调节电流源驱动每个LED。

 


图1:感应式与电荷泵两种架构之间的对比

        感应式方案能提供最好的整体效率,而电荷泵方案因可以采用小体积的陶器电容进行能量转换,所以具有最小的体积。安森美半导体一直致力于优化电荷泵的拓扑以改进总体系统效率。幸运的是,在低功耗背光LED领域取得了与大功率LED同样的进展,所以能用更少LED来产生更高的亮度。这意味着,2、3年前需用4只LED进行背光的一个1.5英寸显示屏现在用2只LED就可实现同样的亮度,从而使功耗降低了一半。为满足这一需求,需研制一款能驱动2只LED且同时支持待机工作模式的低功耗要求的新产品,在待机模式,要以极小的电流对显示屏进行背光。为满足这一需要,安森美半导体设计了NCP5602/12系列电荷泵LED驱动器,该驱动器支持极低电流的芯片接通(ICON)模式,还可通过简单的单线接口或传统的I2C串行总线来驱动2个提供正常背光的LED。除了支持紧凑封装这一最新趋势外,这些产品采用新型的LLGA封装技术,支持要求封装高度小于0.6mm的超薄应用。另外,某些改进的LED材料和设计具有更低的正向电压(从3.6V降为现在的3.1V),所以对感应方案来说,同样的功率能驱动更多的LED。另外,已开发出类似NCP5604A/B等更先进的LED驱动器,它们具有更多的电压转换模式,能支持更优良的电源转换,集成电流源的损耗被进一步减少,从而提高了转换效率,用于为手机供电的锂离子(PLED/Pin)电池的初级电压的转换效率可高达85%。

 


图2:安森美半导体的NCP5608背光和闪光灯驱动器的引脚功能图

        现在,LED闪光灯成为一种需要,为此安森美半导体开发了NCP5608多模电荷泵LED驱动器。NCP5608在提供一组能够提供用来驱动1W大功率LED的高达400mA大电流的同时,还能够驱动用于主屏和附屏背光的4只LED的能力。这两种功能共享一个高效的电荷泵转换级,从而将外接电容数量减至最小。其框图如图2中所示。

        由于空间非常紧缺,特别是对超薄的版型和翻盖手机来说更是弥足珍贵,所以NCP5608采用4×4×0.75mm的QFN封装。为了将控制驱动器需要的线束数量降至最少,芯片中采用了两线的I2C数据总线。4条专用通道驱动闪光LED,该配置允许将这些通道并联来驱动单个大功率的LED,还可用于驱动一个工作于低电流的闪光LED阵列。

        随着许多多媒体和丰富的数据业务的推出,手机设计师将继续面临需要整合进更多功能(比如更大显示器、百万像素成像器、应用协处理器)的挑战;同时还必须满足运营商的高度期望,这些期望不仅只是优异的待机和通话时间,还要满足用户对视频播放、游戏、上网等更长使用时间的诉求,所有这些应用都增加了显示屏的使用时间。幸运的是,在高亮度LED效率方面的进展以及创新的LED驱动器将帮助设计师在实现所有上述目标的同时仍能满足客户对重量和体积方面的期望。

        背光从显示扩展至键盘及“彩灯”等部件,彩灯使用彩色RGB(红/绿/蓝)LED为音乐、响铃烘托效果,并允许客户在其手机上能提供可视化线索(例如根据最新的来电显示辨别是谁来的电话)的个性化设置。正如我们上述所提到的,LED超越了简单的背光应用范围,进而为设计增加了新特性。另外,现在的键盘配置了边缘光分配元件,从而简化了键盘背光的光分配,进而降低了手机的整体厚度、并减少了所需的LED数量。在手机和像MP3播放机等其它数字消费产品中,将来的LED照明将是充满创新并激动人心的,而安森美半导体专注于这方面的研究,将使这些功能在最新一代的便携式产品中得以实现——这些产品无论是一款超小型手机,还是一种最新的功能丰富的多媒体照相手机。

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