分段显示器成就各式智能面板
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摘要：电子纸(EpD)技术有一些瑕疵，缺乏市场成熟性。电子纸用户是少数，围绕EPD的生态体系和下层基础构建还在发展中。比如LCD显示器拥有众多的标准驱动电路支持，但可以设想，EPD的瑕疵会随着市场的发展而淡化。EPD的其它缺陷还包括有电压要求：即高压驱动(>10v)，尽管驱动电流非常低。随着时间推移EPD比其它显示媒介缩短了响应时间。当然，尽管存在这些缺点，但都会在将来得到改正，EPD为各种创新应用提供了独到的方案。分段式EPD凭据其超薄、不规整性、柔韧性能，可为各种类型的显示器提供高对比显示。通过运用低功耗电子系统来匹配低功耗图形显示，设计师可以实现产品便携和长寿电池的双重性能。
关键词：电子纸：标准驱动电路；低功耗电子系统
中图分类号：TN141.9 文献标识码：A
引言
就因为高信息容量的分段电子纸具备超薄、不规整以及柔软的性能，它们可配置在各种装备上。
1 电子纸显示器
电子纸(eIectric-paper displays，EPD)透过实际应用变得流行起来了，例如电子书和电子报纸也能成为一种主流应用。最终采用电泳技术的电子纸以其有效的产品性能和用途，不仅是液晶显示器(LCD)的一种良好替代品，而且成就出新产品和新用途，比如智能卡、新概念手表和可显示表链。
由塑料制成的电泳显示器在基于玻璃基板的显示器无能为力的领域是理想的解决方案。EPD既能承受物理作用力，又能在低功耗条件下保持显示内容。这类基于电子墨水SURF技术[segmented(分段式)、ultra-thin(超薄)、rugged flexible(柔韧性)l的EPD具备如下特性：低功耗、高亮度、不规整性、户外可读性以及简单外形。近来通过采用这些分段显示技术，并伴以微处理器(MCU)和爱普生的驱动电路，很多事半功倍的应用成为可能。
应用在电子书中的有源矩阵显示器能够显示任何图形，相比较来说，分段显示器属于需要预先设定的低容量信息显示器。分段显示器的每个分段需要一个电极驱动，这类似于段码LCD。可能的应用包括电池指示器(电池寿命和电量指示)、电子标签、手持数据收集器；前面提到的手表、表链以及智能卡。
厚度为330μm的EPD可适合众多应用，对于便携式不规整用途，其塑料机身成就了防碎显示器。显示器也可以制成非矩形形状，允许设计师有更多的创新产品。
日本精工开发的一款手表(见图1)是照亮EPD技术前景的这类产品之一，2006年大约1，000只手表限量销售。由于这些手表具备无需背光源的超高亮度(甚至在弱光环境也可读)、创新的曲面、低功耗的MCU和EPD驱动电路，它们成为EPD技术与半导体技术相融合的优秀典范。
2 分段EPD的功耗
计算分段显示方案的功耗取决于有效显示尺寸、显示时间占空比、电子组件选择以及有效低功耗技术与休眠模式的运用。
EPD能实现低功耗应用的重要特征之一就是在断电的条件下具备维持图形显示的能力。因为显示器只有在变更图像的时候才需要耗能，所以处于使用状态的装置对功耗需求较大。热销中的商品标识每2～3秒更新一次以吸引顾客眼球，但货架上的产品价格标签至多每天更新一次，它们所需的功耗就截然不同了。为了进一步运用图像稳定的优势，控制芯片和驱动电子组件或是关闭或是保持低功耗状态直到再一次显示更新。
接下来说说智能卡应用。随着机构着手解决普通信用卡欺诈的问题，智能卡的需求在增加，下一代性能提升所面临的要求为具备显示功能。
为智能卡应用所设计的标准6位数字7分段EPD的有效面积为20.3mm×6.1mm，这个有效面积定义出最大的需要开关的显示单元面积。在典型的240ms脉冲作用下EPD的功耗约为1A／cm2，在240ms脉冲作用下将智能卡显示或白或黑通常需要消耗15V的电流1.24μA，即18.6μW。这些数据是最坏情形下对智能卡显示更新所需的耗能。要精确计算的话，6位数字显示面积为51.0mm2，仅更新6位数字所需消耗15V的电流0.51μA，即7.65μW的耗能。
一次性密码(OTP)智能卡因为提供了额外的安全层面而流行起来。这些卡内藏IC，可以产生不断变更的卡
号。持卡人只要敲下按钮就能显示当前卡号。当用户使用网页或者ATM终端机时，主机系统能够辨别持卡人的身份和交易时间。与存贮式密码不同，EPD智能卡的卡号有效时间就1、2分钟，即便盗贼获得密码也无法访问帐户。
可以估算OTP卡典型使用模式的功耗情况，不显示时为白色。敲下按钮时6个数字在屏幕上更新，将持续约30秒钟，足够用户记录下数字。30秒钟后这6个数字变白，闪一下后整个卡变白了。在这个例子中，整个时间周期为30.96s，写入和擦除6个数字的时间占整个周期的1.6％，保持时间96.8％不消耗能量，平衡写入一擦除周期后，每次交易的显示所耗费能量为0.42W。
3 EPD系统的功耗
显示器只是整个显示系统的组件之一，超低功耗的显示器需要与超低功耗的电子元器件匹配使用以优化整机性能。
前面提到的精工手表就是例子，这是充分发挥EPD的特征优势而开发出的低功耗驱动电路。在LCD驱动和MCU技术积累的基础上，高压工艺(约20V电压)实现了低漏电流的工业优化。增加了集成调压电路(DC－DC转换器)来降低传统电源电路的电流损耗，空载的时候约5μA。通过EPD图形稳定性的运用，当没有图像变换的时候供给驱动电源没有输出消耗。需要频繁进行显示转换的商用EPD手表，能够运用这些低功耗技术。
MCU、EDP驱动电路以及实时时钟技术(RTC)均适合智能卡市场，其中包括传统的4位MCU系列和新近导入的16位MCU，这些都冠以低功耗称谓。能耗电流仅160nA的RCT引导低功耗市场，这是基于低压振荡器电路而开发出。OTP卡是采用这些技术的例子之一，这类卡的典型系统框图如图2所示。
从电池来看，3V电源是供给MCU、RTC和EPD驱动电路的。MCU使用32kHz和1MHz的时钟，EPD驱动电路驱动6位显示数字，详细情形如前所述。MCU和RCT进行双向数据传送，EPD驱动电路由MCU调控，输入键控制直接连到MCU。
当卡处于使用状态，功耗电流为310nA，其中MCU耗能电流150nA，RTC为160nA。如果把MCU和RTC制作在同一个芯片中，共用电路是可行的，还能减少功耗。当按键显示密码的时候(6μA电流持续300ms)，MCU进入工作模式，开始以1MHz的时钟频率同其他元件通信，这时候MCU的功耗电流为600μA。时钟启动后，可从RTC获得数据。这种情况下，RTC以40μA的电流进行传输(持续300ms)，计算和数据进程运行时间为200ms(这个时间有赖于计算类型)，时钟为1MHz的情况下功耗电流600μA。
接下来用15V的电源驱动EPD驱动电路的DC／DC转换器。DC／DC转换器设置为3V×5=15V。电路启动后，上载功耗电流30μA持续5ms(EPD的推荐电路工作如此)，启动损耗5μA。当15V工作的时候，显示消耗1μA，而DC／DC转换器是其5倍，即5μA(简单估算)。在48位数据传送过程中(约持续60s)，消耗65μA。对于一个显示器而言，数据最少传送3次：亮显、暗显和放电。在显示过程中，亮和暗占用250ms，所有驱动电路0V输出需要5ms，这些数据列在表1中。
在这些条件下，如果每天使用卡10次(擦写10次)，14mAh容量的电池使用寿命预计是5年，如果每天使用卡100次(擦写100次)，则为两年半。这种MCU、EPD驱动电路、RTC和EPD的组合设计迎合了用户重复使用的需求。
为了延长电池寿命，类似的显示电路可以用在电子自识别标签领域，可采用IC标签、一个集成了太阳能充电控制器的MCU、EPD驱动电路。太阳能充电控制器最早是为时钟运用而设计的，半工作状态下的消耗为150nA，全激活为3.5μA(电源电路开启)，而射频控制时钟的功能通常会遇到增加功耗的要求。配置了太阳能电池后，电子自识别标签可以设计来存储环境光能，而无需更换电池。