電容式觸摸接口可靠性設計方案

　　電容式傳感器的性能很大程度上依賴于傳感器板的物理性質/特征和環(huán)境/操作條件。例如，傳感器性能會受由PCB制造過程變化引起的傳感器電容變化的影響，無論是覆蓋材料、厚度變化，還是PCB供應商的變化。

　　挑戰(zhàn)還不僅僅與此。寄生電容也會隨環(huán)境條件(噪聲平面)變化而變化，如溫度及濕度。因此，一個在阿爾卑斯山調試好了的板子可能在炎熱潮濕的香港不能工作，這就要花費更多的時間和勞動來重新調試一次。為了使由于生產過程的變化或供應商改變引起的合格率降低的問題減至最小，需要根據統(tǒng)計分析來在調試中加入預期的差異。

　　還有其他原因需要重新制作PCB，例如改變一個按鈕大小，根據原理圖的變化移動PCB上的走線，重新設計PCB尺寸來解決不同的EMC/EMI問題等等。所有的這些修改都需要將傳感器重新調試一次。此外，調試過程需要通信協(xié)議和主處理器觀察和分析原始傳感器數(shù)據。由于最后一版后還需要調試，故需要額外的I/O來解決系統(tǒng)潛在的問題。

　　調試工作需要很多芯片相關的專業(yè)知識和經驗，并理解電容式感應在低電平信號的影響。在對上市時間要求比較嚴格的電器市場，調試可能大大延遲上市時間從而增加系統(tǒng)成本。

　　為了做到有效的成本控制并滿足市場需求，最有效地調試辦法就是電器本身來控制。理想的自調試系統(tǒng)所要完成的任務如圖7所示。

　　圖7：自調試電容式感應系統(tǒng)。

　　在自調試電容式感應系統(tǒng)中，可用多種算法來實現(xiàn)觸摸感應系統(tǒng)。基本上來說，電器自調試和手動調試沒有什么不同。如圖7所示，有些任務一上電就會執(zhí)行完畢(一次補償)，而有些必須不斷執(zhí)行(動態(tài)補償)。

　　一次補償

　　自調試電容式感應系統(tǒng)必須基于電器和預期的操作環(huán)境為傳感器計算最佳參數(shù)設置。

　　時鐘：本文提到的電容式感應系統(tǒng)是基于開關電容原理的。相反，物理上的傳感器電容通過在連續(xù)周期內給傳感器電容充放電模擬成了電阻。模擬電阻和傳感器電容值成正比，可以用電流源和一個數(shù)模轉換器來計算傳感器電容實際值。

　　恰當?shù)牡刃ｋ娮枰髠鞲衅麟娙菰谝粋€頻率下充放電，要有足夠的時間讓電容完全充放電。因此，開關頻率應該依照絕對傳感器電容來調整，如果傳感器電容較高應該降低頻率。

　　分辨率： 因為系統(tǒng)將傳感器電容轉化為計數(shù)，可以測量的最小電容變化取決于系統(tǒng)的分辨率。所需的分辨率可以使用寄生電容和所需的靈敏度來計算。

　　掃描時間：從系統(tǒng)規(guī)格方面來看，這是一個至關重要的調試參數(shù)。然而，隨著掃描分辨率的提高，系統(tǒng)的噪聲將會增加。為了彌補噪聲的加大，傳感器的掃描時間必須“拉長”來整合噪聲，降低其對電容測量的影響。

　　自調試算法必須小心，因為它不會超過系統(tǒng)要求外的掃描時間。最好的掃描時間處理方式就是布板時保持寄生電容盡可能低。

　　IDAC值：在選擇掃描分辨率之上，傳感器基線測量(即當手指不存在時的原始計數(shù))必須自動調整接近最大計數(shù)的80%，以確保環(huán)境條件和芯片參數(shù)變化都不會影響傳感器測量精度或檢測手指觸摸的準確性。

　　動態(tài)補償

　　噪聲是一個隨機時間函數(shù)，由其自身性質決定。工作一個小時后和剛開機時是不一樣的，下一個時刻又不相同。因此，手指檢測的閾值應基于傳感器原始計數(shù)檢測到的噪聲來調整。圖8顯示了自調試系統(tǒng)如何基于系統(tǒng)噪聲調整手指閾值。

　　圖8：基于噪聲動態(tài)調整手指閾值。

　　電器自調試實施的穩(wěn)定性、可靠性和效率主要取決于兩個因素：信噪比和掃描時間。確保自調試傳感器和Cp的信噪比總是在最低要求5:1之上，以保證穩(wěn)定性和可靠性。掃描時間會影響自調試算法的電源效率，這是由于如果需要掃描傳感器的時間更長，就會消耗更多的功耗。雖然更長的掃描時間也許適合應用需求，但自調試算法需要在不影響信噪比的情況下最大限度地減短掃描時間來減少功耗。

　　在初始設計階段通常會忽略的一個最重要的因素是線路板布局，線路板布局會影響整個系統(tǒng)的性能。寄生電容會影響到調試的程度、產品合格率、掃描時間以及其它一些系統(tǒng)特性。

　　設計布局時應遵循由控制器生產廠家提供的指南，以減少傳感器的寄生電容。這些指南可以用來改善系統(tǒng)的性能，通過自調試可以幫助開發(fā)人員應對不斷變化的市場需求。例如，賽普拉斯提供了SmartSense自調試電容感應解決方案，其可以自動優(yōu)化掃描速度，當功耗變低時也可以保持盡可能快的掃描速度，并且保持信噪比高于5:1，以避免任何錯誤觸發(fā)。

　　自調試控制器免去了基于電器規(guī)格和操作條件的變化所需的反復電容式感應調試。在某些極端的例子中，一個傳感器的寄生電容可能會很高，需要外部元件和手動調試來使電容保持在一個典型的范圍。