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便携式设备显示器面临的挑战和应对技术

Nicholas Cravotta?? EDN特约技术编辑?? 2007年02月01日 ?? 收藏0

  为小型便携式系统做设计时,消费电子产品开发者面临诸多挑战。

  要 点
  目前,在便携式系统应用的可用功率预算中,显示器消耗的比例可能会超过 50%,而显示器的背光又消耗了这部分功耗的大部分。
  分辨率较高的显示器具有较低的像素孔径比,因此需要更强的背光,从而提高了成本和总功耗。
  新兴的显示器技术提供了一些创新方式,在不增加功耗的前提下,提高显示器亮度和对比度。
  对显示器的选择的确是系统级的决定,要在所有开发层次之间平衡折衷。


  高分辨率彩色 LCD 随时可供高端手机和手持媒体播放器使用,提高了用户对便携式设备显示质量的期望,由此改变了消费电子产品的情况。同时,数据和多媒体服务的使用逐渐增加,这要求显示器在更多时间保持工作状态,即必须接通背光以便用户看显示器,由此在许多情况下把显示器的相对功耗从可能只占总功耗的 10% 增加到超过可用功率预算的 50%。另外,开发者需要增强显示器的发光来适应多媒体内容的宽动态范围。仅以显示文字的技术肯定不会产生有吸引力的图像。

  结果,LCD 在功耗方面已仅次于手机中的无线电发射器和便携式媒体播放器中的硬盘驱动器。另外,质量更高的

显示器会提高 BOM(物料清单)成本,并需要更强的背光照明。而且系统必须处理并供给显示器的像素数量会增加接口宽度和频率。

  虽然电池技术的新进展提高了便携式设备可用的总功率,但开发者无法仅依靠该领域的创新来适应不断提高的功率预算。为了保持竞争力,工程师必须利用最新的 LCD 技术并仔细平衡显示器成本、功耗和尺寸之间的折衷。

  更大并非总是更好

  虽然消费者需要分辨率更高的显示器,但这些显示器并非始终是他们需要或真正想要的。高分辨率显示器的可用亮度低于低分辨率显示器的可用亮度,而且设计起来更复杂,因此成本明显提高。另外,分辨率越高,显示器的功耗就越大,需要为 LCD 配备的数据接口就越宽。老式的无源矩阵必须把每个像素都保持在适当颜色,当分辨率提高时,它们开始消耗的功率相当大。有源矩阵利用开关矩阵来保持像素的值,遗憾的是,这种矩阵伴随的代价是降低像素孔径比,并需要更强的背光。很难决定使用哪种 LCD 工艺,如果考虑了 OLED(有机发光二极管)显示器以及研究人员正在开发的 LTPS(低温多晶硅)和 PLED(聚合物 LED)等其它多种显示器技术时,情况尤其如此。

  高分辨率还会推动对更宽接口的需要,这会在实现手机和笔记本电脑等带铰链设计时带来物理挑战,它们内部计算资源的位置与显示器是分开的。高分辨率显示器还需要特殊的连接器,在手机中让60根 ~ 80根导线穿过铰链等部件,并提供足够的机械可靠性。

  根据显示器分辨率和帧率的不同,以足够高的频率经过铰链大量数据可能会导致屏幕闪烁。另外,如果接口使用TTL信号传输方式,将会损耗大量的动态电流,伴随的电磁干扰 (EMI)需要EMI滤波器。对于带有 EMI 问题的应用,LVDS(低压差分信号传输)能提供减少导线数量和消除EMI的功效。例如,可以把需要16根 ~ 18根导线的 LED 接口聚集到一条四线 LVDS 通道中。对于小型显示器,LVDS 也许能力过强,这是因为一些小型显示器的连接器具有足够精细间距来提供可靠连接。

  在选择显示器技术时,部分挑战在于确定显示器的典型工作条件。然而针对典型使用情况做设计也许行不通,这是因为在明亮阳光下或夜晚使用时,即使是主要用于室内和荧光下的设备也将需要提供合理画质。虽然应该把最常见的状况作为设计的目标,但极端情况也许会决定最终的显示器技术选择和折衷平衡。

  背光照明的最前沿

  背光消耗了显示器子系统中的大部分功率。背光照明在平衡显示器的亮度和对比度方面起着关键作用。伴随高分辨率彩色显示器出现的首要挑战是 :分辨率越高,显示器效率越低。显示器的孔径比——即像素的彼此接近度——决定了用户能从 LED 看到多少发射光。由于光线在锥体上的高斯分布,LCD 已经损失了可见度,视角越宽,锥体就越大,从任何角度到达眼睛的光线就越少(图 1)。随着分辨率的提高,孔径比和效率会下降。另外,作为显示器一部分的滤色器和偏光器也吸收光线。为了减少背光的功耗,需要把更多光线从显示器背部送到前部。通过平衡显示器的亮度和对比度,并部署过滤器和膜,可以实现这个目标。例如,在对比度增加时,人眼较难区分对比度和亮度。工程师可以利用这种弱点,这是因为高对比度使他们能使用不太亮的显示器,由此降低总功耗。

由于光线在锥体上的高斯分布,LCD 已经损失了可见度,视角越宽,锥体就越大,从任何角度到达眼睛的光线就越少


  目前广泛运用的两种主要补充背光照明的技术是 CCFT(冷阴极荧光管)和 LED。CCFT 是最先进技术,一般用于笔记本电脑 LCD 面板的顶部和底部。光导确定了 CCFT 发射光线的形状使其焦点达到最大,并因此使面板亮度达到最高。CCFT 能在整块面板提供高度一致的亮度。LED 正越来越多


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