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先进整合触控技术 开创移动设备新局面

技术文章 luoman 1555浏览 0评论

    电容式触控萤幕技术为智慧型手机和平板电脑带来崭新局面,广泛用于笔记型电脑、桌上型电脑显示器,以及一体成型式电脑。这些装置的市场竞争十分激烈,厂商持续面临挑战,系统必须具有优异的显示品质、易于导航、高效能、精巧外形、超长续航时间以及低成本。由于触控萤幕在使用者体验中扮演着深具影响力的角色,在设计方面的选择可能成为产品最终成功的决定性因素。

    若要将显示器变成“触控板”,需要以无缝的方式结合这两种截然不同的功能。在过去,是透过不同公司在层板“叠层”中提供各层,然后再由单独的制造商组装,将触控感测器加入显示器。近期技术的发展已可将触控感测器直接整合至显示器,亦可将触控控制器和显示驱动程式功能整合至单一积体电路(IC)。

    本白皮书概述了目前可用的触控和显示整合技术 ,包含预计在可预见的未来中主导设计风格的全新与创新解决方案。此白皮书说明触控感测器可直接整合至显示器的各种方式,探究将触控控制器和显示驱动程式整合至单一积体电路的方式,针对装置制造商及合作夥伴,强调整合触控及显示功能的许多优势。

    将触控感测器整合至显示器叠层

    触控萤幕装置中,触控和显示功能的整合位于两个区域:控制两种功能的显示面板叠层与积体电路。本节说明显示面板叠层,下一节说明整合触控与显示驱动程式积体电路。

图1 : 触控感测器可加入层板“叠层”中之显示器上方的各层,或者可直接整合至显示器叠层中的其中一个现有层。

    图1显示实体触控萤幕中显示器与面板叠层中的许多层。根据先前经验,将触控感测器以独立式或离散式叠层加入层板叠层显示器,是普遍的作法。根据此设计,感测器加在防护玻璃(CG)上或加入专用的感应层,通常是由塑胶制成。

    将感测器置于防护玻璃镜片上,有时称为“镜片上覆感测器”(Sensor-on-Lens, SoL)或称为“单片玻璃触控方案”(One Glass Solution, OGS),因为省去了独立感应层的需求。独立感应层的设计称为Glass-Film (GF)或Glass Film-Film (GFF),取决于发送和接收触控功能是否分别在感测器薄膜的一或两层中实作。这些设计称为“离散式”,强调触控功能在显示器上以另外的叠层提供。

    离散式触控感测器叠层具有经过验证的优点、缩短产品上市时间的低风险技术,某些LCD制造商(LCM)也希望能充分利用厂房与设备现有的生产设置。不过它们也有缺点,就是面板叠层较厚、较暗,而且较贵。

    透过最近的技术发展,LCM可将触控感测器直接整合至显示器叠层中的一或多层。整合可能位于显示器的外部或内部:外挂式整合或内嵌式整合。

    位于彩色滤光玻璃顶部的触控感测器矩阵称为外挂式整合,因为感测器建置在显示器单元的顶部。双层触控感测器可在彩色滤光玻璃的顶部实作,但是需要跨接器(钻石样式或带状条纹样式),这会增加成本。单层外挂式(SLOC)技术则使用特殊的样式发送与接收网格,无需跨接器即可连接,成本较低,产能较高。

    将触控功能加入显示器,外挂式技术是简单可靠的方法,与主动矩阵有机发光二极体(AMOLED)显示器搭配使用,通常是最佳选择。大尺寸显示器以及可弯式或软性显示器,则可使用双层金属网感测器达成外挂式整合。

    如图1所示,显示器单元从薄膜电晶体(TFT)玻璃的底部到彩色滤光玻璃的顶部,包含TFT电路、LC材质与彩色滤光片。内嵌式感测器使用现有的显示层作成触控感测器矩阵,通常利用通用电极(或 Vcom 层)作为触控感测器矩阵,利用金属层作为矩阵的交互连结。今日的IPS面板,这些层全部存在于TFT玻璃上。

    内嵌式整合的另一种类型是混合设计:触控感测器的传输层是TFT玻璃上的内嵌式技术,接收层为彩色滤光玻璃上的外挂式技术,称为“混合内嵌式”设计。“完整内嵌式”表示发送与接收触控感应层皆在单元中。内嵌式的两种类型如图2所示。

图2 : 内嵌式整合的类型取决于触控感测器发送与接收层的位置而定。

    整合触控控制器和显示驱动程式积体电路

    控制触控与显示功能的积体电路,一直以来皆由个别的供应商提供。这些独立的积体电路可与离散式面板叠层和外挂式显示器整合,但若有多家供应商,其优势便受限,而且会变得复杂。相较之下,内嵌式整合将触控控制器与显示器驱动程式整合至单一积体电路,不仅较为轻松简单,基本上也更具优势。

    目前的智慧型手机和平板电脑显示功能,很可能受控于单一显示器驱动IC (DDIC),触控功能很可能受控于个别的触控控制器IC。使用外挂式显示器的设计,DDIC 永远位于显示玻璃上,称为覆晶玻璃(Chip-On-Glass, COG),触控控制器 IC 通常位于弹性面板连接器,称为覆晶薄膜(Chip-On-Flex, COF)。在此设计中,主机到面板通常有两个弹性连接器,一个适用于TFT玻璃上的DDIC,一个适用于触控控制器。

    使用完整内嵌式显示器设计的智慧型手机和平板电脑,只需要单一面板连接器,连接显示器和触控感测器。拥有单一连接器也通常拥有单一积体电路,称为“触控与显示器驱动程式整合”(TDDI)。由于积体电路本身有CPU (适用于触控讯号处理),并且装载于显示器玻璃上,此整合解决方案有时也称为“TDDI启动的智慧型显示器”。

    TDDI 解决方案的架构设计和实作一点都不马虎。对于先进的显示器噪音管理与改善的电容感应效能,Synaptics TDsync技术整合并同步触控与显示功能。

    产生的解决方案克服了离散式面板叠层和外挂式显示器的相关限制,其中触控与显示功能通常会彼此独立运作。

    若智慧型手机和平板电脑设计将所有触控控制器和显示器驱动程式功能整合在单一积体电路,晶片通常直接位于玻璃,如图3所示。

图3 : 混合内嵌式设计需要有额外的弹性面板连接器。

    内嵌式TDDI解决方案的优势

    将触控与显示功能整合在内嵌式显示器和积体电路,具有某些显着的优势。这些优势也可分成两类:工程、制造与支援方面的优势,以及强化智慧型手机或平板电脑的设计。

    工程、制造与支援优势

    将触控与显示功能整合在显示器叠层和积体电路,简化了设计工作,有助于加速新设备的上市时间,提供设备制造商独特的竞争优势。

    结合的元件较少、供应链效率提升,可尽量降低成本。完整内嵌式整合少用一个弹性板连接器,也少用一个积体电路。LCD制造商(LCM)的显示器面板具备完整整合的触控功能,从根本上消除了个别感应层叠处理程序的产量损失。利用较少的元件与供应商,组装步骤与问题也减少,设备耗用于制品的时间也较短。图4显示不同面板叠层的相关价格比较,使用完整内嵌式/TDDI设计的价格是最便宜的。

图4 : 比起离散式GFF参考设计,显示器整合技术大幅降低了成本;完整内嵌式整合与TDDI的结合成为今日最低成本的解决方案。

    装置设计优势

    将触控和显示功能整合于显示器玻璃和积体电路,兼具优雅与简洁,可设计更时尚、功能更强大的设备。相较于离散式设计,完整内嵌式显示器的面板较为纤薄。因为无需在显示器面板的侧边或顶部进行外部路由,显示器的边框更为狭窄。较薄的面板可用于更纤薄的外型,或提供更多空间以供其他功能使用,例如记忆体或电池容量,较窄的边框则支援产品全尺寸、无边框显示器所需的窄框。

    内嵌式与TDDI的结合也提高了效能,因为同步扫描提升了显示器触控控制的敏感度,就像Synaptics的TDsync 一样。此外,同步触控与显示功能几乎消除了来自连接触控感应的电磁显示器杂讯,如果在带有离散式或内嵌式面板叠层的设备中未适当缓解,会产生操作问题。如图5所示,没有独立的触控感应层来减弱光线,内嵌式显示器的亮度大约会增加 10%,或者,可透过较少的背光来提供相同的亮度,进而延长电池寿命。

图5 : 将触控感测器直接整合至显示器叠层,制作更纤薄明亮的显示器。

    最后,整合触控与显示功能,简化了设备的设计与可制造性,也提高了设备的整体可靠性。无须层压多个功能层,这是故障或失效的潜在原因。而且如果设计本身似乎导致层压离散面板叠层时发生问题,便需要联络多个供应商,使得及时解决问题的工作更加复杂。

    结论

    触控萤幕已成为智慧型手机与平板电脑的标准规范,加上使用者也需要简化导览,使得触控萤幕在笔记型电脑和所有全方位桌上型电脑中日益普遍。虽然目前有许多不同的技术结合触控和显示功能至触控萤幕,但使用具有触控和显示器驱动程式整合 (TDDI) 的内嵌式显示器正快速成为主流行动装置市场中新设备的首选,如图5所示。

图6 : 离散式面板叠层已逐渐由显示器整合设计取代,整合设计具有 70%的CAGR。

    普及率迅速增长的原因,在于内嵌式 /TDDI 设计可解决设计与制造面板叠层造成的诸多问题;另外加入触控功能与非同步方式实作触控与显示功能,产生了更复杂的设计、增加成本,运作也较不可靠。相比之下,使用TDsync技术之 Synaptics ClearPad Series 4 IC 中的完整整合与同步触控和显示功能解决了这些问题,并提供其他优势,可望成为更好的设备,满足更多使用者。

    注:

    1.请注意,本白皮书的重点仅限于8寸(20公分)以下的智慧型手机和平板电脑。较大型的触控萤幕也可能以类似方式整合触控和显示功能,不过其差异可自成一篇。

    2.TDDI也可用于混合内嵌式实作。在此组态中,第二弹性件用于路由接收端针脚(从TFT玻璃上的TDDI晶片)至彩色滤光片顶部的接收端电极。第二弹性件仅包含路由讯号,没有任何作用中的元件。

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