E-paper épisode 2 : interfaces

Je me suis assez vite rendu compte en faisant mes recherches que tous ces petits écrans pour étiquettes électroniques partageaient quasiment la même interface. Alors attention, je parle de l'interface de l'écran pur et dur, pas des ajouts.

La raison est relativement simple à comprendre, et il s'agit d'une histoire de coût et d'une espèce de standardisation qui aidera à répandre l'utilisation de ces écrans e-paper.

• Pour piloter l'écran, chaque pixel possède une électrode sur laquelle il faut envoyer une série d'impulsions électriques pour obtenir la couleur désirée. C'est le champ électrique généré qui déplacera les billes électrostatiques.
• Ce champ électrique est généré par une puce de pilotage (driver) dont on verra plus loin qu'elles ne sont pas si nombreuses que ça, car elles sont chères à concevoir, et vraiment très spécifiques. Donc intéressantes à standardiser.
• Comme toute puce électronique, les tensions à manipuler requièrent chacune une capacité de découplage pour limiter les perturbations liées aux pics de courant des alimentations. Non seulement il faudra la tension servant aux interfaces (souvent 3.3 volts), mais également une tension interne pour la partie digitale (souvent 1.8 volt), qui sera avantageusement générée sur place. Malheureusement les capacités de découplage sont trop grosses pour être intégrées, aussi on les place en sortie, au plus près du connecteur.
• Ce champ électrique requiert des tensions positives et négatives d'une dizaine de volts, ce qui est rarement disponible dans les appareils électroniques, aussi la puce de pilotage se charge aussi de générer les signaux requis pour effectuer un élévateur de tension, mais les composants requis sont également impossibles à intégrer, et on se retrouve avec quelques composants externes, quasiment toujours les mêmes.
• La séquence de tension est programmable, et c'est l'objet des LUTs que vous retrouverez dans les datasheets, que l'on peut complètement reprogrammer, mais c'est à proscrire pour l'utilisateur final, tout ce que vous arriverez à faire sera de casser l'écran. Les puces sont programmées en sortie de fabrication, n'y touchez plus.

Pour limiter les coûts, et comme de toutes manières il existera au moins un microcontrôleur pour piloter l'écran, les composants externes indispensables ne sont pas intégrés sur le flexible de connexion (c'est faisable, mais c'est cher).

Vous allez donc souvent retrouver ces éléments à l'extérieur de l'écran, et les revendeurs/assembleurs (comme Waveshare), qui ne fabriquent pas d'écran, proposeront un petit circuit imprimé (souvent appelé "HAT") qui facilite l'interface entre l'écran et votre futur circuit de contrôle (par exemple un Arduino).

Normalement, vous avez déjà compris cela dans ma page précédente, l'information nouvelle étant que cela semble être quasiment systématiquement le cas, et plus ou moins pareil d'un écran à l'autre.

Les écrans en papier électroniques présentent diverses tailles, et surtout présentent diverses résolutions : le nombre de lignes et de colonnes est très variables et peut atteindre de grandes valeurs.

Or pour piloter l'écran, il faudra relier chaque ligne et chaque colonne avec au moins un fil électrique, déposé sur l'écran TFT. Ce sont les sources et gates décrites dans les datasheets, et le nombre peut varier entre quelques centaines à deux mille ou plus, ce qui prend de la place sur le silicium. Or le silicium est très cher, la puce doit être aussi petite que possible. Par conséquent, il n'est pas question d'utiliser la même très grande puce pour tous les écrans, ce serait bien trop cher pour les tout petits écrans.

Je n'ai pas vraiment creusé cet aspect, mais certaines choses ne peuvent pas être évitées.

• Il faudra fabriquer un dispositif électronique comportant au moins un transistor de commande dans chaque pixel, sur une surface importante (bien trop grande pour du silicium), avec des centaines de lignes et de colonnes. La seule technologie utilisable actuellement est la technologie TFT, et donc forcément ce genre d'écran sera fabriqué chez un fabricant maitrisant une ligne de fabrication TFT, ou similaire (on peut fabriquer sur du verre, mais également sur des substrats souples plus embêtants à manipuler).
• Une fois la plaque de verre fabriquée, il faudra souder la puce silicium (le driver) qui va exécuter la séquence de tensions requise pour allumer le pixel conformément à ce qui aura été mis dans son SRAM.
• Et un bout de flexible avec des pistes conductrices sera soudée afin de pouvoir se connecter au monde extérieur.

Ce genre de capacité est relativement rare. Je ne maitrise pas spécialement ce marché, mais j'ai eu l'impression que la majorité des écrans en papier électronique qui nous intéressent devait provenir de chez :

Mais je n'ai pas vraiment cherché, mais si vous voulez creuser ce domaine, regardez un de ces rapports (toujours fort chers) décrivant l'état du marché, par exemple (et ça n'est pas un encouragement à acheter, juste pour vous donner une idée) Technology Landscape, Trends and Opportunities in E-Paper Display Market qui semble me contredire...

Les fournisseurs de solutions e-paper ne seront généralement que des assembleurs, et on peut s'attendre à trouver des similarités flagrantes entre les produits proposés, car ce sont probablement les mêmes. Un peu comme les produits propriétaires des supermarchés...

Après avoir fabriqué l'écran TFT, avec dépôt de transistors et de billes électrostatiques, il faut souder la puce de pilotage, le fameux driver.

Il existe divers drivers, pouvant piloter plus ou moins de pixels, et ayant chacun leur propre jeu de commandes pour les programmer et envoyer les données à afficher. Leurs titres sont du genre :

• All-in-one driver IC w/ Timing Controller for White/Black/Red Dot-Matrix Micro-Cup ESL
• All-in-one driver with TCON for Color application

Manifestement, pour les très grands écrans, les puces utilisées semblent plutôt secrètes.

Ces références devraient vous être utiles si jamais vous voulez avoir le cœur net concernant les commandes envoyées à l'écran. Sinon il faudra faire confiance à la datasheet de l'assembleur qui aura plus ou moins bien recopié les données...

Ce sont les compagnies qui proposent des écrans assemblés, et qui ne fabriquent manifestement pas. Vous retrouverez dans leurs datasheets des copies (plus ou moins bien recopiées) de drivers originaux. Il est possible qu'un de ceux-là soit le fournisseur de tous les autres. Certains produits sont étrangement identiques...

Si l'assembleur ne donne pas la référence de la puce utilisée, alors ce sera un sacerdoce pour la retrouver. Surtout que les fabricants de drivers ont tendance à cacher la copie.

Quelques datasheets où les commandes sont manifestement recopiées :

Ces écrans en papier électroniques sont loin d'être la panacée en matière d'affichage, à commencer par cette histoire de temps de rafraichissement liée à la séquence de tensions à appliquer (les fameuses LUTs). Mais bon, on commence à voir quelques informations indiquant des fréquences assez élevées (10 fois par seconde), reste à voir la durée de vie associée...

Mais c'est pire que ça : ces écrans n'aiment pas du tout les variations de température, d'ailleurs les drivers intègrent non seulement un capteur de température, mais peuvent aussi lire un capteur de température externe, et les concepteurs ne se sont pas donnés cette peine pour rien. En effet, les LUTs dépendent de la température.

Et ces valeurs sont variables d'une datasheet à une autre. Le froid semble moins un problème que la chaleur. Il faudra éviter de souder à proximité.

• C'est évidemment très fragile (le TFT est fabriqué sur une très fine couche de verre).
• Non seulement c'est sensible aux solvants et autres produits agressifs, mais même à la salive !

Un écran de protection (transparent) par-dessus est vraiment indispensable. Ceci dit, certains produits ont manifestement une couche de protection déjà collée sur l'écran (un peu comme les smartphones).

Jetez un œil à la section « reliability tests », ça vous donnera une idée des tests qui garantissent le domaine de fonctionnement.

J'ai acheté un écran 5.13 pouces noir/blanc/jaune/rouge chez Waveshare. Mais je pense qu'il existe exactement le même chez son concurrent, probablement parce qu'il s'agit du même produit fabriqué chez un tiers
(je parie Jiangxi Xingtai).