40 procent av energiförbrukningen i en smartphone används till skärmens bakgrundsbelysning. Batterilivslängden kan ökas genom att ljusstyrkan anpassas till omgivningsbelysningen och närheten till användaren. Steven Li från ams visar här hur man kan göra.

Eftersom LCD-skärmens bakljus i en smartphone står för ca 40 procent av enhetens totala strömförbrukning finns det stora vinningar med att justera dess ljusstyrka efter förändringar i omgivningsljuset. I en relativt mörk miljö kan skärmens ljusstyrka sänkas för att spara ström. Det är också skonsammare för användarens ögon samtidigt som det förbättrar användarupplevelsen.

Faktum är att omgivningsljussensorer (ALS) används flitigt i smartphones för att ge information om omgivningsljuset, som stöd för LED-strömkretsen. Men medan denna tillämpning är enkel att beskriva, är den svår att implementera i praktiken – det vill säga på ett sätt som uppnår strömbesparingar, samtidigt som det inte stör användaren.

En ALS måste monteras bakom en skärm där varje kvadratmillimeter utrymme är värdefullt och den måste kunna utföra närhetsavkänning (att stänga av skärmen när den hålls mot användarens ansikte) och den huvudsakliga funktionen för mätning av omgivningsljuset. Dessa och andra restriktioner begränsar konstruktionsingenjörernas frihet när det gäller att optimera designen.

Den här artikeln beskriver de största utmaningarna med att implementera en bra omgivningsljus-respons i en smartphone och visar hur man övervinner dessa utmaningar, för att uppnå responsiva och exakta anpassningar av ljusstyrkan efter omgivningsljuset.

Fotopisk respons
Den första svårigheten är att fotodioder inte svarar på ljus på samma sätt som det mänskliga ögat gör. Det mänskliga ögat är okänsligt för infrarött ljus (våglängd större än 780 nm) och ultraviolett ljus (våglängd mindre än 380 nm). En fotodiod i kisel av standardtyp känner däremot av ljus med våglängder mellan 300 nm och 1100 nm.
Det innebär att konstruktörens första utmaning är att avlägsna IR- och UV-komponenterna från sensorn. ALS funktion är att ta ett mått på ljuset (med måttenheten lux) i smartphonens skärm. Om det här lux-måttet innefattar såväl UV och IR som synligt ljus, kommer den att ge styrningen av skärmens bakljus en förvrängd bild av den mänskliga, eller "fotopiska", responsen på omgivningsljuset. Kort sagt, omgivningsljuset kommer att verka starkare för sensorn än för det mänskliga ögat.

Det beror på att både naturligt och artificiellt ljus vanligen innehåller ett IR-element. Detta gäller exempelvis för både solljus (se fig 1) och ljuset från en glödlampa. Ett självklart sätt att avlägsna IR-ljuset på är att lägga ett optiskt IR-filter över sensorn. Men i en smartphone används normalt samma sensor även för närhetsavkänning (tillsammans med en IR-LED), för att stänga av skärmen och pekstyrningen när telefonen hålls mot användarens ansikte.

Fig 1. Spektral effektfördelning för solljus, som visar ett starkt IR-element som inte kan ses av det mänskliga ögat. Klicka här för större bild.

Smartphone-utvecklaren kan så klart lägga till en separat IR-fotodiod för enbart närhetsavkänning, men det är en klumpig lösning. Då måste designen stå tillbaka för både det optiska filtret på ALS och en diskret IR-fotodiod och ytterligare utrymme kommer tas av IR-fotodioden, vilken kräver en öppning i skärmens framsida för att IR-ljuset ska kunna passera.

ams har utvecklat en smidigare lösning på problemet – en modul med dubbel diod. En fotodiod (visas som kanal 0 i fig 2) känner av hela spektrumet, medan den andra (visas som kanal 1) känner av ljus i mestadels IR-delen av spektrumet. Genom att dra bort IR-fotodiodens resultat från fullspektrumsensorns resultat fås ett mått på det synliga ljuset.

Sensorerna är relativt okänsliga för UV-ljus och de vanligaste ljuskällorna avger ändå relativt lite UV-ljus. För avkänning av omgivningsljus räcker det i de flesta fall med ett paketeringsmaterial som kan absorbera UV-ljus för att avlägsna det.

Fig 2. Den spektrala responsiviteten hos TMD2772, en serie moduler med dubbla dioder från ams vilka innefattar TMD27721 och TMD27723.

Efter att ha avlägsnat ljusets IR-komponent från ALS-resultatet står nu smartphone-utvecklaren inför ett andra problem: hur ALS/närhetssensormodulens betraktningsvinkel ska begränsas utan att påverka dess prestanda. Detta är en fråga om att kompromissa ALS gentemot närhetssensorn.

För omgivningsljusavkänning är den optimala betraktningsvinkeln 180° (vilket är i princip omöjligt), eftersom det är betraktningsvinkeln för skärmen på vilken omgivningsljuset faller. För närhetsavkänning gäller dock det motsatta: en snäv betraktningsvinkel krävs för att begränsa risken för överhörning mellan IR-LED och IR-sensor. Optimalt är om IR-sensorn bara kan känna av IR-ljus som reflekteras från användarens ansikte, och LED-enheten ska inte kunna belysa sensorn direkt eller reflektera ljus från pekskärmens topp eller botten.

Denna konflikt mellan kraven på ALS och IR-sensorn kräver därför en kompromiss.

Genom experimenterande har smartphone-utvecklare kommit fram till att en betraktningsvinkel på 90-110° ger en hög prestanda i närhetsavkänningen samtidigt som omgivningsljusavkänningen fortfarande har en god prestanda. Om vinkeln görs snävare än 90° försämras ALS-prestanda betydligt. För att systemet ska fungera med en 90° betraktningsvinkel måste det dessutom finnas ett mycket litet luftgap mellan pekskärmens botten och toppen av sensormodulen.

Betraktningsvinkeln är inte den enda frågan rörande mekanisk design som påverkar ALS. För att ljus ska passera genom skärmen till sensormodulen måste utvecklaren lämna en öppning. OEM:er vill dock att denna öppning ska vara så liten som möjligt för att man inte ska förstöra pekskärmens nätta och mjuka uttryck. De maskerar också öppningen med färg på skärmens glasyta, vilket gör den mörkare så att färgen harmonierar med färgen på telefonens hölje. Färgen och den lilla öppningen sänker intensiteten hos infallande ljus på sensormodulen.

OEM:en måste dessutom utföra strikta kontroller i produktionslinjen av variationen i färgens genomlysning. Om exempelvis en färg med 17 % genomlysning används, kommer en variation på bara ±1 % i färgens genomlysning att orsaka ytterligare fel på 5,9 % (1/17*100) i ALS-resultatet.

Den tredje viktiga konstruktionsutmaningen vid implementering av omgivningsljusavkänning i en smartphone är att hantera ett ljus med mycket hög dynamik. Smartphone-tillverkare vill att ljusstyrkan för skärmens bakljus ska ställas in korrekt vare sig enheten används i nästan totalt mörker (belysningsstyrka på 0,1 lux) eller i direkt solljus (belysningsstyrka på 220 klux). Det kräver att sensorn har en hög känslighet över ett mycket dynamiskt område samtidigt som en mycket låg bakgrundsnivå upprätthålls. Enhetens ökning ska dessutom kunna kontrolleras som svar på förändringar i omgivningsljusets ljusstyrka.

Finjustering av implementeringen
Den här artikeln har beskrivit de kompromisser som gäller för implementering av omgivningsljusavkänning i smartphones, fördelarna med en lösning med dubbla dioder, och ALS-modulens egenskaper som OEM:en måste specificera. Men varje enhets utseende, konstruktion och färg är olika och det kräver enskild karakterisering för att kunna utveckla en anpassad Lux-ekvation. Denna ekvation krävs för att kunna avlägsna omgivningsljusets IR-komponent korrekt och för att kompensera för den begränsade betraktningsvinkeln.

För att kunna utföra denna karakterisering ska smartphonen utsättas för olika typer av ljuskällor vilka alstrar varierande mängder IR- och UV-ljus. Sedan jämförs lux-måttet från en referensenhet, en mycket exakt luxmätare och från en ALS-modul under samma ljusförhållanden, för att modulens effekt ska kunna kalibreras. Lux-mätaren ska täckas med en skärm för att imitera ljussensorns begränsade betraktningsvinkel.

För att karakterisera en sensormodul som exempelvis ams TMD27721 eller TMD27723 används följande ekvation:
CPL = (ATIME_ms × AGAINx) / 20
Lux1 = (C0DATA – a0 × C1DATA) / CPL
Lux2 = (b0 × C0DATA – b1 × C1DATA) / CPL
Lux = MAX(Lux1, Lux2, 0)

där CPL, a0, b0, b1 är parametrarna som ska karakteriseras.
CPL: Summa per Lux
C0DATA: Data som avlästs från Kanal 0
C1DATA: Data som avlästs från Kanal 1
C0DATA-a0x C1DATA: Viktad summa för en ljuskälla med hög andel IR-ljus
C0DATA-b1x C1DATA: Viktad summa för en ljuskälla med liten andel IR-ljus
MAX: Maxvärdet för Lux1, Lux2 och 0

Ju mer information som samlas in från olika ljuskällor, desto mer exakt blir karakteriseringen.

Med en korrekt konstruktion, strikt kontroll av färgens genomlysningsbarhet i produktionen och noggrann karakterisering kan felaktigheter i systemet för avkänning av omgivningsljus begränsas till bara ±15 %. I vissa fall kan en felprocent på så lite som ±10 % uppnås. Detta är tillräckligt bra för att kunna justera bakljusets ljusstyrka och spara ström, samt förbättra användarupplevelsen.

En OEM kan så klart behöva en mycket högre exakthet än detta för andra funktioner än styrning av skärmens bakljus. Detta kräver en mycket känslig omgivningsljussensor (som enskild enhet utan närhetsavkänning). TSL25911 från ams skulle vara idealisk för en sådan tillämpning.

Sammanfattning
Omgivningsljussensorer (ALS) används flitigt i smartphones för att ge information om omgivningsljuset, som stöd för LED-strömkretsen. Men medan denna tillämpning är enkel att beskriva, är den svår att implementera i praktiken – det vill säga på ett sätt som uppnår strömbesparingar samtidigt som det inte stör användaren.

En ALS måste monteras bakom en skärm där varje kvadratmillimeter utrymme är värdefullt och den måste kunna utföra närhetsavkänning (att stänga av skärmen när den hålls mot användarens ansikte) och den huvudsakliga funktionen för mätning av omgivningsljuset. Dessa och andra restriktioner begränsar konstruktionsingenjörernas frihet när det gäller att optimera designen.

Den här artikeln beskriver de största utmaningarna med att implementera en bra omgivningsljusrespons i en smartphone och visar hur man övervinner dessa utmaningar. Den beskriver behovet av att:
* avlägsna IR-komponenten från det ljus som ALS mäter.
* övervinna begränsningarna i ALS betraktningsvinkel.
* tillhandahålla korrekta mått på omgivningsljus över ett mycket brett dynamiskt område.
Steven Li, Application Manager, ams

Filed under: Embedded