兼具轻巧机身与大版面屏幕的特点,以及不同开合角度的模式切换,折叠屏手机已在市场上掀起风潮。华为、OPPO、vivo、小米等国内各大厂商的相同概念机型,也如雨后春笋般陆续推出。本文将以屏幕开合角度侦测为主题作深入解析。

继5G手机热潮延烧,当前手机业最热门的话题就是折叠屏,目前三星已抢先推出该主题的手机。同时兼具轻巧机身与大版面屏幕的特点,以及不同开合角度的模式切换,折叠屏手机已在市场上掀起风潮。华为、OPPO、vivo、小米等国内各大厂商的相同概念机型,也如雨后春笋般陆续推出。本文将以屏幕开合角度侦测为主题作深入解析。

折叠屏开合角度侦测主要实现多模式切换,不同手机屏幕夹角对应不同应用模式,常见如下:

0˚:「封面屏幕」模式;

90~179˚:下半屏幕充当脚架,用于多角度自拍或类笔记本电脑操作;

180˚:完全展开,如同一般手机或平板计算机。

实际上,还支持更高级的功能,包括可实现应用程序的流畅切换、大小屏幕界面编排等。

综观手机厂商,目前采用的折叠角度侦测解决方案大致分为以下三种:

双加速度计(Acc)

双惯性测量单元(IMU)

磁传感器搭配磁铁

双加速度计解决方案

该方案中,在上下屏幕各装置一颗加速度计,透过两者传感得到的倾角输出差异换算,得到两颗加速度计的角度差异,进一步比对出手机屏幕夹角,然而,相较于手机屏幕,此方案较适合用于笔记本电脑的角度侦测,由于笔记本电脑使用时一般置于桌面,该方案可避免旋转轴垂直地心时,读取数值无相对差值而失效的缺陷;

双惯性测量单元解决方案

惯性测量单元由陀螺仪与加速度计两种微动组件组合。该方案中,在上下屏幕各放置一颗惯性测量单元,由于有陀螺仪辅助(在加速度计失效时可接续测量),可解决双加速度计旋转轴平行重力方向无法辨别的问题。但该方案除成本昂贵外,重力或陀螺仪因内部有类似微型弹簧的震动结构,利用柯氏力原理进行角度的转动侦测,这些精密的微结构,受到冲击或是震动,从而产生卡轴相关的结构故障,一旦出现此类故障,通常需要更换零件才能修复,否则功能几乎无法恢复。

磁传感器搭配磁铁解决方案

磁传感器搭配磁铁的方案,可有效克服前两种方案的缺陷,是近期手机厂商积极评估的技术方案。以下会针对爱盛科技的磁传感器方案做详尽介绍。

爱盛科技专长于磁传感器半导体技术,所生产的磁传感器及位置传感器产品已大量应用于手机、无人机、以及手持云台等消费类电子产品。近年来,为手机客户推出定制化的折叠屏解决方案,选用物料性能优异,并对应客户个别产品的磁场环境进行磁铁选型,提供位置摆放建议、磁场模拟、算法校正等专业服务。

爱盛折叠屏幕磁传感器解决方案,系在轴承位置配置一颗磁铁,磁传感器位于下半屏幕(如图1)。其工作原理是磁铁随屏幕开合有姿态变化,磁传感器传感到的磁场强度亦随之改变(如图2)。由于上下盖透过铰链结构与中心机构件为对开的联动关系,只需侦测轴心机构与下盖的关系,即可换算出上下盖角度变化。

图1: 磁传感器安置在下半屏幕,以对应轴承位置所配置的磁铁

图2:图1中所示的磁铁随屏幕开合产生姿态变化,磁传感器传感到的磁场强度亦随之改变

对于爱盛科技的传感器而言,当传感强度变化后,传感器本身会进行运算,将屏幕开合角度值输出给主控芯片。由于磁传感器是基于电磁特性进行物理量的侦测,并非使用微型机械结构进行力学的物理量测量,因此能更好抵抗手机在日常使用中的意外跌落,震动,撞击等引发的物理冲击,这是该方案可取代微动组件方案的重要优势。此外,该方案为单芯片解决方案,故具备厂商通常都会考虑的成本优势。

本方案选用的芯片为IST8309三轴霍尔传感器,其特点如下:

可编程大动态范围:

一般霍尔传感组件仅能传感Z轴磁场,市面上的竞争产品通常透过电镀导磁材料,改变磁力线方向做X, Y轴传感;不过,导磁材料容易产生磁滞效应,在强磁环境下会造成传感误差。欲避免此负面影响,须限制传感器的动态范围。

IST8309采用特殊霍尔组件设计,无须导磁材料即可侦测三轴磁场,受磁滞干扰小,动态范围不受限,可大幅提高磁铁选型与磁铁位置安排的便利性。

内建角度运算

磁传感器在传感三轴磁场强度后,输出三轴磁场原始数据,IST8309有内建角度运算功能,侦测磁场强度值后即进行数字角度运算,可直接把角度(即为当前开合角度)输出给手机主芯片。如此,可减少客户软件代码量,减少工程师开发阶段的工作,并提供更多软件设计弹性

节能中断功能

IST8309芯片内建有中断功能,开合角度为0~20˚时,可取代磁开关功能,唤醒主芯片显示屏幕;开合角度为20~180˚时,当角度有变化时进行唤醒;另外,主芯片在角度固定时进入休眠,可减少功耗。

不过,要充分发挥磁传感器方案的优势,必须注意一些事项,包括规划时需要考虑感应磁场的设计、周围干扰源的处理等。一般常见干扰包括硬磁干扰和软磁干扰两种:

硬磁干扰

手机系统常遇到的硬磁干扰源包括电路与导线的电流、扬声器、麦克风等。直流导线可采用双绞线方式,使磁场互相抵消以减少影响;传感器需要特别避开/远离时变的磁场(例如电流不断变化的电路、扬声器等)。

在设计期间,爱盛科技提供仿真服务,利用专业软件进行仿真,事先避开易受干扰区域,或透过校正方式消除固定磁场干扰。

软磁干扰

手机系统常遇到的软磁有电容、NFC天线或铁钴镍材质等组件。设计时必须避开系统内的软磁,再依据出厂前的取样进行校正。对磁场或材料干扰的问题,是设计期间就需要解决的。严谨完善的设计考虑,可有效避免日常使用上的限制,方能达到良好的用户体验。爱盛科技为客户提供真正包括软硬件的全方位服务,所提供的专业且完整的服务包括设计期间的建议,也同时兼顾量产时的角度校正与算法修正等。

虽然磁传感器方案有其限制,但品牌厂商仍愿意不断尝试,寻求更佳的磁侦测解决方案。爱盛科技凭借磁领域的专业基础和客户至上的态度,透过与客户的紧密交流互动,协助客户逐一克服技术难点,已成功开发出数款折叠屏手机的开合角度侦测解决方案,使后续折叠屏手机在不同功能的使用上,能实现更多实用且有趣的用户体验;与客户共创双赢,也为品牌在尖端市场中赢下口碑。(备注:本栏目仅代表厂商观点)

本文为《电子工程专辑》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

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