Introduzione
La crescente diffusione dei dispositivi portatili alimentati a batteria come smartphone, indossabili, elettromedicali, sensori per l’infrastruttura IoT (Internet of Things) e sensori intelligenti per l’automazione della fabbrica, ha posto in primo piano l’importanza assunta dal sistema di alimentazione, in particolare la sua efficienza energetica. Un componente sul quale il progettista di sistemi embedded può agire per ridurre gli assorbimenti di corrente è senza alcun dubbio il display, uno dei principali strumenti di interazione attraverso il quale l’utente può monitorare, controllare e configurare un dispositivo elettronico. Nei comuni display LCD, la componente che assorbe la potenza maggiore è la retroilluminazione, responsabile della dispersione della maggior parte di luce prodotta. La buona notizia, è che i progettisti possono oggi avvalersi di una tecnologia matura e affidabile in grado di ridurre drasticamente il consumo di potenza: i pannelli LCD riflettenti. Questi display utilizzano infatti la luce ambiente per illuminare lo schermo e incorporano l’innovativa tecnologia MIP (acronimo di Memory In Pixel) che consente al display di memorizzare e visualizzare indefinitamente un’immagine statica senza comportare, virtualmente, alcun assorbimento di potenza.
La tecnologia MIP
Le soluzioni per la visualizzazione grafica di tipo tradizionale, come i cristalli liquidi colesterici, nematici e bistabili, presentano diversi limiti sia a livello di progettazione tecnica che di prestazioni sul campo. In particolare, queste tecniche costruttive comportano elevate tensioni di pilotaggio, tempo di risposta non trascurabile, ritenzione dell’immagine, elevata complessità di interfacciamento con il controller e altro ancora. I display MIP superano questi limiti combinando la tecnologia a matrice con un circuito di memoria a singolo bit integrato in ogni pixel, consentendo all’informazione di essere mantenuta in memoria senza richiedere alcun rinfresco da parte del controllore. Questa tecnologia consente la realizzazione di moduli e pannelli grafici con assorbimento bassissimo, prolungando così la durata della batteria. Rispetto ai display ePaper, che presentano alcune similitudini, i display MIP dispongono di una risoluzione maggiore e migliore tolleranza agli urti e alle variazioni di temperatura.
Poiché la cella di memoria SRAM a singolo bit associata a ogni pixel è in grado di memorizzare le immagini senza alcun intervento da parte del sistema host, il controller del display può rimanere in uno stato a basso assorbimento (deep sleep mode) o addirittura nello stato off, con un assorbimento di corrente estremamente ridotto che può scendere sino a circa 1-5µA. Rispetto agli LCD tradizionali, i display riflettenti MIP consentono di ottenere un risparmio di potenza fino all’80% dovuto all’assenza della retroilluminazione; inoltre, un ulteriore 19% di risparmio è ottenuto grazie alla tecnologia MIP in tutti i casi in cui si visualizzino immagini statiche. Qualora fosse necessario eseguire un aggiornamento parziale dello schermo, non è necessario riscrivere tutto il contenuto della memoria: l’utente può infatti scegliere di eseguire il rinfresco su più linee (comando ‘multiple lines update’) oppure su una linea singola (comando ‘single line update’). Poiché l’accesso ai singoli pixel (bit di memoria) è casuale (la memoria è di tipo Static Random Access Memory), è possibile rinfrescare soltanto i pixel che hanno cambiato valore. In Figura 1 è visibile l’architettura del circuito MIP relativa a un display prodotto da JDI (Japan Display Inc.), l’azienda che insieme a Sharp è tra i leader nell’utilizzo di questa tecnologia.
Una caratteristica di rilievo dei display LCD riflettenti è l’elevata leggibilità anche in presenza di illuminazione solare particolarmente intensa. Per migliorare la luminosità, i produttori hanno introdotto delle nuove tecniche di controllo ottico della luce al fine di ottimizzare l’angolo visivo, incrementando la quantità di luce riflessa. Inoltre, l’impiego di materiali come l’argento consente un ulteriore incremento della riflessione luminosa pari a 6-7% rispetto ai materiali comunemente utilizzati, come l’alluminio.
Come visibile in Figura 2, la fabbricazione dei display riflettenti MIP è relativamente semplice, in quanto utilizza gli stessi materiali normalmente impiegati nella fabbricazione degli LCD: cristalli liquidi, vetro, polarizzatore e connettore FPC realizzato su circuito stampato flessibile (Flexible Printed Circuit).
I principali vantaggi offerti dalla tecnologia MIP sono i seguenti:
- assorbimento di corrente bassissimo, circa 1/50 rispetto a un display LCD STN. Ciò consente la visualizzazione di immagini statiche con assorbimento virtualmente nullo, prolungando così la durata della batteria;
- elevata capacità riflettente (superiore al 17%), che elimina la necessità di retroilluminazione;
- elevato rapporto di contrasto (il valore tipico è 24:1) ed elevata risoluzione;
- struttura costruttiva semplice e compatta. I display a colori realizzati con la tecnologia riflettente MIP offrono dei bordi del pannello molto stretti e spessori ridotti. Inoltre, non dispongono di circuito di controllo integrato nel display, offrendo la massima flessibilità per adattarsi ad impieghi in applicazioni compatte come gli indossabili;
- interfacciamento semplice: non sono richieste tensioni elevate o negative, ma è sufficiente fornire una linea di alimentazione positiva a 5V o 3V e una linea di massa. L’interfaccia di controllo rispecchia lo schema classico SPI (Serial Peripheral Interface) basato sui seguenti tre segnali: serial input, serial clock e chip select. Ciò consente l’interfacciamento immediato ed economico con un microcontrollore esterno.
Applicazioni dei display MIP
Nelle applicazioni alimentate con batterie di ridotta potenza, i progettisti hanno spesso dovuto rinunciare all’utilizzo di un display, richiedendo all’utente di eseguire la configurazione e il controllo del dispositivo tramite un terminale esterno dotato di interfaccia seriale cablata oppure wireless (Bluetooth BLE, tipicamente). Come sappiamo, la disponibilità di un display rende le cose molto più semplici, migliora l’esperienza dell’utente ed è oggi attuabile grazie alla disponibilità di display LCD riflettenti in alta risoluzione, monocromatici o a colori. La tecnologia MIP utilizza lo stesso principio degli eReader basati sui display realizzati con la tecnologia ePaper (nota anche come e-Ink): il display assorbe potenza solo quando si modifica l’immagine sullo schermo, mentre se l’immagine rimane statica l’assorbimento è praticamente nullo. I display MIP hanno un’elevata efficienza energetica, ottenuta memorizzando l’immagine nella memoria SRAM e sfruttando la proprietà riflettente del display. I risultati sono superiori a quelli di un display tradizionale, sia per applicazioni indoor che outdoor. All’aperto, la retroilluminazione non è sufficiente a contrastare l’illuminazione solare, con il risultato che i display LCD convenzionali risultano poco leggibili. I display MIP, per contro, utilizzano la luce solare stessa per illuminare lo schermo, con il risultato di una maggiore efficienza, maggiore angolo visivo e maggiore usabilità. Ciò migliora la visione all’aperto in applicazioni come indossabili, elettromedicali, sensori e dispositivi industriali. Anche un settore innovativo e in forte crescita come quello delle biciclette elettriche (e-bike) si sta rivolgendo alla tecnologia MIP per implementare le soluzioni di visualizzazione sui propri mezzi.
È stato stimato che la retroilluminazione, da sola, assorba fino all’80 per cento della potenza totale richiesta da un display. In molte applicazioni, questo aspetto diventa cruciale e i progettisti devono adottare soluzioni tecniche alternative. I progressi compiuti da tecnologie alternative, come i display OLED e MicroLED, hanno consentito di ottenere risultati lusinghieri in termini di assorbimento, ma la loro efficienza rimane inferiore a quella dei display MIP riflettenti; inoltre, essi richiedono materiali meno stabili o con costi proibitivi per molte applicazioni a budget ridotto. I display offerti da produttori rinomati come Japan Display Inc. (JDI) e Sharp Electronics Corp. sono particolarmente adatti a tutte le applicazioni che richiedono una batteria e/o devono operare in condizioni di elevata luminosità. In Figura 3 è visibile un esempio di display MIP per un dispositivo indossabile: si notino l’eccellente leggibilità e l’elevato contrasto del display (anche in condizioni di intensa illuminazione ambiente), unitamente a uno spessore estremamente ridotto.
Conclusioni
I display riflettenti realizzati con la tecnologia MIP, sia monocromatici che a colori, rappresentano una soluzione eccellente per aumentare la leggibilità e ridurre l’assorbimento di potenza in numerose applicazioni alimentate a batteria. Questa tecnologia consente inoltre di ottenere pannelli con dimensioni più compatte e di semplificare l’interfacciamento con il controllore host, aprendo la strada ai dispositivi più innovativi come indossabili ed elettromedicali. Ref. https://www.data-modul.com/en
