모바일 디바이스는 정밀한 디스플레이 백라이트 관리가 필수적이다. 이 글은 모바일 디바이스용 백라이트 전력 관리에 대한 새로운 기법에 대해 설명한다. 

스마트폰과 태블릿은 정밀한 디스플레이 백라이트 관리가 중요하다. 그 이유는 전력 소모를 최소화하면서 어떠한 주변 밝기 조건에도 사용자가 디스플레이의 내용을 보는 데 무리가 없어야 하기 때문이다. 이러한 백라이트 제어 기능을 구현하는 시스템은 광센서와 백라이트 드라이버, 조도 계산 알고리즘의 세 부분으로 구성된다.

최신 모바일 디바이스에서 주변광에 따른 백라이트의 반응은 애플리케이션 프로세서로 제어되곤 한다. 이 애플리케이션 프로세서는 LED 드라이버에 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 지속해서 보내야 한다. 하지만 이 아키텍처는 프로세서의 처리 부담을 지나치게 가중한다. 기존에 사용되는 주변광 반응 시스템은 다소 정교하지 못하여(조악해) 백라이트 밝기가(출력 수준) 조정되는 순간, 깜박임과 같은 원치 않는 시각 효과를 유발한다. 이 문제는 사용자가 장치의 백라이트 자동 제어 기능을 버리고 수동 설정으로 사용하게 만든다.

수동 설정은 전력 소모가 더 크고 배터리 사용 시간을 단축하며 사용자에게 주변 밝기에 부드럽게 반응하여 밝기가 조절되는 효율적인 백라이트 관리시스템이 제공할 수 있는 기능을 주지 않는다.

이 글에서는 빈도와 변화폭에 관계없이 주변광의 어떠한 변화에도 백라이트 밝기를 자연스럽게 변환하는 데 초점을 맞춘 모바일 디바이스용 백라이트 전력 관리에 대한 새로운 기법을 다루고자 한다. 한 가지 주목할 것은 이 기법이 애플리케이션 프로세서의 PWM 신호 생성 부담을 덜어 준다는 점이다.

모바일 디스플레이 백라이트의 동작

스마트폰과 태블릿에서 애플리케이션 프로세서는 ALS(ambient light sensor, 조도센서)의 신호를 통해 조명 관리 유닛(LED 드라이버 IC)을 제어한다. 이 조명관리 유닛(LMU)은 적당한 전류로 하나의 LED스트링 혹은 각각의 LED스트링의 전류 레벨을 조절한다(그림 1 참조). 이 IC는 RGB 이벤트 표시등, 키패드 백라이트 등 다른 LED도 제어한다. ALS는 디바이스 전면의 디스플레이 가까이에 위치한다. 조도 값을 계산하는 ALS의 알고리즘은 디스플레이 유리판의 구멍과 광 흡수 특성을 자동으로 보정한다(조도 값은 측정 위치에 조사되는 빛의 세기를 나타낸다.). 광센서를 차단 유리나 어두운 색의 유리 뒤에 장착한 경우 정확한 조도 값을 얻으려면 게인이 높고 노이즈 값이 낮아야 한다.


약 5인치 크기의 디스플레이에는 일반적으로 12개 정도의 LED로 이루어진 LED 백라이트 시스템이 필요하다. 이러한 시스템의 최대 입력 전류는 최대 순전압 3.2 V에서 LED당 약 20 mA 정도다. 따라서 주변광에 대한 반응을 효과적으로 구현하면 상당한 사용량의 전력 절감 효과를 얻을 수 있다. 밝은 태양광이 비추거나 그에 버금가는 조도 환경에서 디바이스를 사용하는 경우에 백라이트의 세기를 조정할 수 있게 하는 것이다.

기존 구현 방식 평가

기존 디스플레이 백라이트 제어 방식의 문제점은 사용자 환경을 더욱 편하고 쾌적하게 만드는 것이 아니라 실제로는 오히려 사용 환경을 저해할 수 있다는 것이다. 예를 들어 백라이트 출력 수준을 너무 많은 단계로 세분화한 경우에는 주변광이 미세하게만 변해도 디스플레이 밝기가 바뀌게 된다. 사용자에게 이는 사용을 방해하는 시각 효과로 느껴질 수 있다. 주변광의 세기가 애플리케이션 프로세서에 백라이트 세기를 변경하도록 프로그래밍된 전환 값 근처에서 미세하게 계속 변화할 경우 눈에 거슬리는 깜박임이 발생할 수도 있다. 게다가 백라이트 출력 수준이 갑작스럽게 바뀐다면 문제는 더 심각해진다.

온라인 포럼과 기타 여러 출처의 사용자 피드백을 종합해 보면 자동 백라이트 제어 기능이 골칫거리라는 의견이 지배적이고 일부 사용자는 사용에 방해를 받지 않기 위해 아예 이 기능을 꺼버리기도 한다. 따라서 백라이트 전력 회로 설계자는 디스플레이를 편안하게 볼 수 있도록 하면서도 전력 소모를 적절한 수준으로 유지하고 사용자가 거의 알아채지 못하게 백라이트 세기를 변경하는 시스템을 구현하는 것을 목표로 해야 한다.

새로운 백라이트 출력 수준 관리 기법

최근 시장에서 성공을 거둔 스마트폰을 테스트한 결과를 보면 이 문제에 어떤 식으로 대처하는지를 알 수 있다. 디스플레이가 켜지면 주변광에 따라 백라이트 값이 설정된다. 그 다음에는 주변광이 변화할 경우 백라이트 전류를 한 번만 변경할 수 있다. 한 번 바뀐 디스플레이 백라이트는 주변광이 아무리 많이 변하더라도 해당 수준으로 고정된다. 이러한 동작은 디스플레이 앞에서 손을 서서히 흔드는 경우처럼 감응된 주변광이 변화할 때 백라이트 출력 수준이 오락가락하는 것을 방지한다. 하지만 이 방식에는 자명한 단점이 있다. 시스템에서 처음으로 백라이트 출력 수준을 변경한 후에는 디스플레이 성능과 전력 소모를 최적화할 기회를 상실하게 된다는 점이다.

ams에서 개발한 새로운 데모 시스템은 깜박임이나 기타 사용 환경을 저해하는 시각적 현상 없이도 디스플레이 백라이트를 주변광에 맞추어 조정할 수 있음을 보여 준다. 다양한 제어 방식을 결합한 것이 비결이다. ams 시스템은 ‘버킷’이라는 개념을 사용한다. 버킷은 동일한 백라이트 출력 입력 값을 사용하는 여러 조도 값의 범위를 말한다. 또한 이력 값을 더해 버킷을 구현하여 출력 수준 간의 자연스러운 변환이 이루어지게 한다.

이러한 구현 방식은 기존의 모바일 장치에 사용되는 방식보다 더 정교하고 효과적이지만, 애플리케이션 프로세서의 처리 부담은 오히려 줄어든다. 이 레퍼런스 시스템은 그림 2와 같은 흐름을 구현한다. 여기서 저주파 통과 필터는 ALS에서 보고되는 조도 값 변화에 대한 시스템의 반응 속도를 늦추는 역할을 한다. 이 저주파 통과 필터가 없다면 장치는 주변광의 변화가 감지될 때마다 즉시 그에 반응하여 백라이트 출력을 변경하게 된다. 즉 사용자가 조명이 밝은 방에서 ALS 위쪽으로 손을 반복적으로 흔들면 디스플레이의 출력이 손을 흔드는 주기에 맞추어 깜박인다. 이러한 시각 효과는 지양해야 한다.



저주파 통과 필터는 새로운 조도 값이 일정 시간 유지된 경우에만 해당 값을 알고리즘으로 보낸다. 현재 시중에 나와 있는 안드로이드(Android) 폰 중에는 이 시간이 약 5초로 설정된 제품이 많다. 이 필터는 카운터 또는 IIR 필터의 형태로 구현할 수 있다. 해당 함수는 ALS의 조도 값을 입력으로 받아 평탄화된 조도 값을 출력으로 보낸다. 이러한 평탄화된 조도 값은 알고리즘상에서 만들어진다(그림 3 참조).

평탄화된 조도 값이 두 버킷의 전환 값(특정 버킷의 하한이자 인접한 버킷의 상한) 근처에서 오르내릴 경우 백라이트 세기가 오락가락할 수 있다. 이 역시 사용자에게는 시각적으로 거슬린다.

두 버킷의 경계선에서는 평탄화 필터와 이력 값을 함께 사용하면 이러한 오르내림을 방지할 수 있다. 이 설계에 있어서는 버킷의 수를 결정하는 것이 중요하다. 버킷이 너무 많으면 백라이트 수준이 너무 자주 바뀌어 사용자에게 거슬린다. 반대로 너무 적으면 주변광의 변화에 따라 전력 소모를 줄일 여지가 적어진다. ams의 실용적인 검증 결과에 따르면 모바일 폰 응용 제품의 경우 4개의 버킷이 적당한 것으로 나타났다.

이 시스템의 마지막 요소는 LED 백라이트 드라이버에서 구현되는 파워레벨의 전환이다. 일반적인 전환 범위는 5 mA에서 10 mA 사이다. 이러한 변화를 너무 급격하게(1 ms 미만) 구현하면 사용 환경이 저해된다. 파워의 변화가 약 1초에 걸쳐 서서히 이루어지도록 확장하면 사용자가 거의 알아채지 못할 정도로 부드러운 전환이 가능하다. 하지만 백라이트 전류 싱크에서 제한된 비트 수로 인해 발생하는 양자화 오류 때문에 느린 전환이 보는 사람에게 부드럽게 나타나는 것이 아니라 끊기듯이 여러 단계로 나타날 위험이 있다.

실용적인 구현 방법

위에서 설명한 기술을 구현한 데모 시스템이 ams에서 개발되어져 왔다. 여기서 TSL2772 광센서는 센서가 어두운 유리판 뒤에 장착되는 스마트폰 응용 제품에 필요한 높은 게인과 정밀도를 제공한다. 또한 TSL2772에서 보고되는 애플리케이션 프로세서의 작동에 사용된다. 이 애플리케이션 프로세서는 ams가 개발한 이력 알고리즘을 구현한다.

프로세서에서 보내는 제어 신호는 AS3677로 전달된다. AS3677은 백라이트 DC-DC 컨버터와 3개의 고전압 전류 싱크가 내장된 스마트폰용 조명 관리 유닛이다. 이 IC에는 하드웨어 평탄화 필터도 내장되어 있다. 이 하드웨어 필터는 애플리케이션 프로세서에 시간지연 요소 없이 새로운 전류 값만 칩에 다운로드할 수 있다.

AS3677 조명 관리 유닛은 어레이 형태의 LED에 적당한 파워를 공급하는 솔루션이다. 그리고 개발자는 다양한 주변광 환경에서 TSL2772센서를 통한 백라이트 응답 성능을 평가해 보는 것이 좋다.