So lassen sich EMI-Probleme bei OLED-Touchscreens vermeiden

Displays mit organischen Leuchtdioden (OLED) sind mittlerweile weit verbreitet, immerhin arbeiten über 60 Prozent der heute hergestellten Geräte mit dieser Technik. So setzen mehr als 80 verschiedene Smartphone-Modelle der größten Smartphone-Hersteller in ihren aktuellen Produktionszyklen auf OLED-Displays . Allerdings gibt es ein Problem mit OLEDs, das immer gravierender wird: Sogenannte Touch to Display (T2D)-Interferenzen können optische Artefakte auf OLED-Bildschirmen verursachen.

OLEDs wurden erstmals Anfang der 2000er Jahre in Smartphones eingesetzt. Es ist seit langem bekannt, dass OLED-Touchscreens von T2D-Interferenzen betroffen sein können, doch bisher konnten diese Probleme bei der Entwicklung kompensiert werden. Im Zuge der zunehmenden Verbreitung und Weiterentwicklung dieser Technologie wurden OLED-Touchscreens immer dünner, was dazu führte, dass sie deutlich anfälliger für T2D-Interferenzen wurden. Diese Probleme werden in der Regel während des Qualitätskontrollprozesses bei den Herstellern erkannt, sodass nur wenige Verbraucher jemals ein Problem mit ihrem Mobiltelefon haben.

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Abgesehen von den Nachteilen für die Umwelt, die durch die Entsorgung von Mobiltelefonen mit defekten Displays entstehen, fallen jedoch auch erhebliche Kosten für die Zerlegung und das Recycling der Komponenten sowie für die anfänglichen Herstellungskosten an. Da die Bildschirme immer dünner werden, wird davon ausgegangen, dass die Anzahl der fehlerhaften Einheiten, die bei der Qualitätskontrolle entdeckt werden, die zulässige Qualitätsgrenze (Acceptable Quality Limit – AQL) für Smartphone-OEMs überschreitet. Verständlicherweise liegen keine Marktstatistiken vor, die dies belegen, doch sind die beteiligten physikalischen Phänomene gut erforscht.

Es liegt daher auf der Hand, dass eine Lösung gefunden werden muss. Die beste Lösung ist ein neuer, patentierter Ansatz in Form der Ansteuerung durch Code Division Multiplexing (CDM) mit Null-Zeilensumme. Diese Technik funktioniert bei jedem elektronischen System, das einen OLED-Touchscreen enthält.

Problematische Touchscreen-Interferenz

T2D-Signalinterferenz ist seit der Einführung der Technologie eine Herausforderung für On-Cell-OLED-Touchscreens. Die Display-Elektronik und Touchscreen-Elektronik liegen in einem OLED-Touchscreen zwangsläufig nahe beieinander. Als Smartphone-Hersteller Anfang der 2020er Jahre begannen, auf OLED-Bildschirme umzusteigen, betrug der Abstand zwischen den Touch-Ansteuerungen und dem Display etwa 10 μm. Bei diesem Abstand ist der Einfluss elektromagnetischer Störungen (EMI) durch die Touchscreen-Ansteuerungen beherrschbar.

Smartphone-Hersteller machen ihre Geräte jedoch immer leichter und integrieren die Komponenten immer dichter. So beträgt der Abstand zwischen Touch-Ansteuerungen und Bildschirm bei den modernsten Modellen mittlerweile oft nur noch 6 μm – so gering, dass T2D-Interferenzen zu einem Problem geworden sind, das neue Techniken zu ihrer Lösung erfordert.

T2D-Interferenzen können verschiedene Beeinträchtigungen verursachen, darunter Bildschirmflackern und das Auftreten von unerwünschten Mustern. Dieses Problem verschärft sich noch, wenn Smartphone-Hersteller den Abstand auf 5 μm oder sogar 4 μm reduzieren, wie es einige derzeit versuchen.

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Warum herkömmliches CDM nicht ausreicht

Die gängige Technik zur Positionserkennung bei Touchscreens ist das Multidrive-CDM. Touchscreens verfügen über Elektroden, die um den Bildschirm herum angeordnet sind. Wenn ein Benutzer den Bildschirm berührt, wird die Position der Berührung erfasst, indem Messungen an den horizontalen und vertikalen Elektroden vorgenommen und die Summen kombiniert werden.

Da alle Signale in Phase sind, kommt es zu einer gewissen T2D-Interferenz. Das Ziel besteht darin, diese Interferenz zu minimieren, indem die Summe der Messungen reduziert wird, wobei die Summe die Differenz zwischen der Anzahl der in einer Phase gemessenen Elektroden und der Anzahl der um 180° phasenverschoben gemessenen Elektroden ist.

Zu diesem Zweck wurden Touchscreen-Erkennungssysteme entwickelt, bei denen möglichst viele Elektrodensignale um 180° phasenverschoben sind, was zu einem CDM mit niedriger Summe führt. Ideal wäre ein perfektes Gleichgewicht, wodurch eine Nullsumme erreicht wird, bei der sich die Signale gegenseitig aufheben und somit praktisch keine T2D-Störungen auftreten.

Es wurden erhebliche technische Ressourcen in die Entwicklung von CDM-Ansteuerungen mit niedriger Summe investiert. In der Praxis ergibt ein System mit zwölf positiven und acht negativen Elektroden eine Summe von vier. Das Ausmaß der Interferenz reduziert sich entsprechend. Der Fortschritt wird anhand der Verringerung der Summe gemessen. Ein weiteres Beispiel arbeitet mit neun positiven und sieben negativen Elektroden, was eine Summe von zwei ergibt.

CDM-Ansteuerungen mit niedrigerer Summe verursachen zwar weniger T2D-Interferenzen bei der OLED-Displayelektronik, aber ein gewisses Maß bleibt dennoch. Wie oben erwähnt, werden die Auswirkungen der Interferenzen umso gravierender, je geringer der Abstand zwischen Display und Touchscreen-Elektronik ist, sodass die immer dichtere Smartphone-Integration letztendlich die Fortschritte bei CDM-Ansteuerungen mit niedriger Summe zunichtemacht. Daher bleibt das T2D-Problem bestehen.

Aus diesem Grund wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um eine Null-Zeilensummen-CDM-Ansteuerung zu entwickeln, die das Touch-Ansteuersignal unabhängig vom Abstand zwischen Touchscreen und OLED-Elektronik bestmöglich kompensieren kann.

Was ist Null-Zeilensummen-CDM?

Bei einem kürzlich patentierten Konzept werden alle Sendeelektroden (Tx) in mehrere Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe mit einer anderen Erfassungsfrequenz angesteuert wird. Bisherige Technologien arbeiten mit einer einzigen Frequenz, es gibt jedoch mehrere Gründe, auf einen Mehrfrequenzbetrieb umzusteigen. Ein wichtiger Grund ist, dass der Touchscreen dadurch widerstandsfähiger gegen elektromagnetische Störungen (EMI) aus anderen Quellen wird.

Für jede Gruppe von Transmittern werden Null-Zeilensummen-CDM-Berechnungen durchgeführt, wobei es je nach Bedarf zwei, drei oder mehr Gruppen geben kann. Das Beispiel in Bild 1 zeigt eine Gruppe von drei. Bei diesem neuen Ansatz wird jede Gruppe – also jede kleine Null-Zeilensummen-CDM-Matrix – gleichzeitig statt nacheinander verarbeitet, wobei für jede Matrix eine andere Abtastfrequenz verwendet wird. So gibt es keine Überschneidungen zwischen den Null-Zeilensummen-CDM-Gruppen.

Die Entwicklung der Null-Zeilensummen-CDM-Technologie beruhte auf der intensiven Entwicklung neuer Algorithmen. Früher musste man bei 20 Transmittern für jede mögliche Ansteuerungskombination einen Algorithmus haben. Die herkömmliche Methode zur Erzeugung dieser Algorithmen basiert auf der Multiplikation der inversen Matrix. Einer der Gründe, warum die Entwicklung eines Null-Zeilensummen-CDM-Ansatzes erheblich schwieriger war, besteht darin, dass Null-Zeilensummen-Ansteuerungsmatrizen nicht invertierbar sind (der Rang ist kleiner als die Matrixdimension). Der neue Ansatz weist jedoch bei gleicher Bildrate ein deutlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auf.

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Wo sich Null-Zeilensummen-CDM einsetzen lässt

Die Auswirkungen von T2D-Interferenzen auf Smartphone-Hersteller und gelegentlich auch auf Verbraucher sind weithin bekannt und galten bisher im Qualitätssicherungsprozess bis zu einem gewissen Grad als akzeptabler Verlust. Null-Zeilensummen-CDM bietet jedoch eine Lösung für dieses Problem.

Außer im Smartphone-Markt kann Null-Zeilensummen-CDM auch zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI) in anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Beispielsweise ist die Automobilbranche eine Kategorie mit strengen Standards hinsichtlich EMI. Hier kann Null-Zeilensummen-CDM eingesetzt werden, um diese Anforderungen weitaus einfacher zu erfüllen.

Die Technologie ist breit einsetzbar, sowohl hinsichtlich der Arten von Interferenzen, die sie lösen kann, als auch natürlich hinsichtlich der Arten von Anwendungen. Touchscreens sind heute bereits in eine Vielzahl von Produkten integriert, von Laptops bis hin zu Fitness-Trackern, und werden zwangsläufig in noch mehr Produkten zum Einsatz kommen. Der patentierte Null-Zeilensummen-CDM-Ansatz von Synaptics bietet Entwicklern eine Lösung für die Herausforderungen durch T2D-Störungen in OLED-Touchscreens und EMI in anderen Display-Anwendungen (z. B. im Automobilbereich), die sich leicht in den Fertigungsprozess integrieren lässt und letztlich den Ausschuss reduziert, der im Qualitätssicherungsprozess durch fehlerhafte Produkte entsteht. (na)