噪聲大戰(zhàn)：投射電容屏抵御內(nèi)部噪聲

1.電容式觸摸屏已廣泛普及，但它易于因產(chǎn)品的噪聲而產(chǎn)生虛假和錯誤的響應。

2.噪聲來源于內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)和顯示驅(qū)動器。

3.無論是處理顯示屏、充電器、天線或其它來源的噪聲，觸摸IC都必須做到相同的用戶體驗水平。

今天的用戶都希望采用多點觸摸系統(tǒng)做精確操作，并仍能符合日益提高的環(huán)保標準。設(shè)計者要滿足這些要求可不容易。隨著多點觸摸系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的快速改變，爭奪觸摸屏統(tǒng)治地位的大戰(zhàn)也正在影響著新戰(zhàn)場的出現(xiàn)。

當前的一個趨勢是手機做得越來越薄。要實現(xiàn)這一目標，就意味著電容觸摸傳感器要直接層壓在顯示屏上，將傳感器移入顯示屏內(nèi)，并且要克服很多其它挑戰(zhàn)，如天線和地負載。過去只是在傳感器結(jié)構(gòu)上放一塊屏蔽層以阻擋顯示噪聲，這種方式已不可接受了，它會增加太多的成本和厚度。

除了顯示屏以外，USB充電插頭的普及已使電池充電器商品化。今天的電容觸摸屏IC可在高達40V峰峰值的AC噪聲下，檢測出皮庫侖級的電容變化。所有這些因素都提升了對觸摸屏IC的要求，甚至比去年的要求都復雜得多。需要新的創(chuàng)新，于是開始了噪聲大戰(zhàn)。

充電器噪聲

在有觸摸時，充電器噪聲會通過電池充電器物理地耦合到傳感器上。它的影響包括：降低觸摸的精度或線性度，虛假觸摸或幽靈觸摸，甚至造成一個無響應或不可靠的觸摸屏。肇事者通常是一個零售的低價充電器。盡管OEM提供的充電器一般有較嚴格的噪聲規(guī)格，但充電電路已廣泛采用了USB插頭，從而為零售市場創(chuàng)造出了巨大的商機。為在這一市場區(qū)段中競爭，零售市場的制造商們正在努力讓自己的充電器更便宜。這些低成本的電子產(chǎn)品能夠為手機充電，但可能會為觸摸屏注入大量噪聲，使手機無法使用。

兩種常見電池充電器是： 自激式轉(zhuǎn)換器( ringing- choke )和反激式轉(zhuǎn)換器(flyback)。反激式轉(zhuǎn)換充電器通常采用PWM電路；而低成本自振的自激式轉(zhuǎn)換器則采用了一種反激設(shè)計的變體(圖1)

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圖1，反激式轉(zhuǎn)換充電器通常采用PWM電路(a)，而低成本自振蕩的自激式充電器則使用反激設(shè)計的一種變體(b)。

自激式轉(zhuǎn)換器既沒有微控制器也沒有電容，缺乏PWM控制，用較低成本的變壓器、極少的二極管，以及較小電容值的極化輸入電容。這些減免等于為制造商節(jié)省了成本，但卻給客戶帶來了一個高噪聲系統(tǒng)。有些自激式轉(zhuǎn)換充電器幾乎是一個寬帶噪聲發(fā)生器，因為它們幾乎在從1kHz~100kHz的范圍內(nèi)輻射高達40V峰峰值的噪聲。多數(shù)充電器有帶許多諧波的循環(huán)噪聲趨勢。一個好的例子是所謂的零等待充電器(zero charger)，其噪聲輸出為10V~25V峰峰值(圖2)。

圖2，“零等待充電器”的噪聲在0(a)、50(b)和100%(b)負載下并不相同。

該充電器的輸出取決于電池自身的狀態(tài)。為解決這一現(xiàn)象，很多OEM商聯(lián)手創(chuàng)立了EN(歐規(guī))規(guī)范，以管控一只充電器在任何頻率上輻射的最大噪聲水平。EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1就負責這些噪聲水平(圖3)。

圖3，EN規(guī)范規(guī)定了充電器在任何頻率應輻射的最大噪聲水平。EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1控制著這些噪聲水平。

從1kHz~100kHz，充電器的輸出噪聲應不大于1V峰峰值，而隨著頻率的增加，噪聲等級會從這一水平呈指數(shù)下降。但是，零售市場上的產(chǎn)品都不滿足這么嚴格的規(guī)格。因此，現(xiàn)在OEM商希望能用觸摸IC應付這么高的噪聲。有些規(guī)格要求從1kHz~400kHz之間有40V峰峰值，而在50Hz~60Hz區(qū)間內(nèi)有95V峰峰值的抑制能力。所幸，專門算法與方法可以滿足這些嚴格的要求，為電池充電器提供超過95V峰峰值的噪聲抑制能力。實現(xiàn)這些水平要采用一些方法，如非線性濾波、跳頻以及其它硬件技術(shù)。

顯示噪聲

投射式電容觸摸顯示屏系統(tǒng)帶來了很多挑戰(zhàn)，因為它們可以產(chǎn)生大量噪聲，并被直接傳導給電容觸摸屏傳感器。更麻煩的是，OEM商們要求自己的手機有越來越薄的工業(yè)設(shè)計，這意味著要將觸摸屏傳感器更靠近顯示屏，甚至放在顯示屏內(nèi)。多年來，業(yè)界一直采用一個保護屏蔽層，防止傳感器受到顯示屏產(chǎn)生噪聲的影響。這種方案雖然有效，但增加了手機成本和厚度。業(yè)界亦采用過在顯示屏與傳感器之間保持一個0.3mm氣隙的方案，通過空氣的自然特性，消散來自顯示屏的噪聲。但是，隨著手機越來越薄，這兩種方案都不適合于今天的設(shè)計。

所幸，顯示屏輻射的噪聲要小于充電器，不過仍然難以處理。當采用傳統(tǒng)的TFT(薄膜晶體管)LCD時，可用直流電壓或交流電壓驅(qū)動公共電極。交流公共電極層通常可降低顯示驅(qū)動器的工作電壓，并保持液晶整體的恒定電壓。交流共電極層應用于相對低成本的顯示屏，功耗較高，噪聲特性弱于直流共電極層(圖4)。

圖4，交流電極層用于相對較低成本的顯示屏，功耗較高，噪聲也高于直流共電極層。

典型交流共電極顯示屏的噪聲特性大約在10kHz~30kHz時為500mV~3V峰峰值，而直流共電極顯示屏通常較寧靜。測量一個顯示屏的方法很簡單，將一臺示波器連接到顯示屏頂端的幾個銅帶上，將地連接到顯示屏的電路地，讓顯示屏工作，就可以捕捉到波形。

AMOLED(有源矩陣有機發(fā)光二極管)技術(shù)的使用正在手機中普及，因為它有更寬的視角、更明亮的色彩，以及更深的對比度。AMOLED顯示屏也較安靜，不過這要付出價格的代價(圖5)。圖中的AMOLED顯示屏輸出的尖峰為30 mV峰峰值，這是交流共電極顯示屏噪聲的1%，大大簡化了觸摸屏的設(shè)計。傳感器與物理顯示屏的整合產(chǎn)生了一種on-cell(像素上)和in-cell(像素內(nèi))結(jié)構(gòu)，也簡化了這種類型的顯示器。不過，AMOLED顯示屏要比傳統(tǒng)LCD貴得多。

圖5，一個典型AMOLED有相對較小的顯示噪聲。

On-cell設(shè)計一般是在顯示屏的濾色玻璃片上沉積傳感器層，使之盡量靠近顯示屏的化學組成，因為它處于堆疊內(nèi)。噪聲與寄生負載都會增加。不過，AMOLED技術(shù)具有天然的寧靜性，因此是一個好的平臺，能將oncell或in-cell傳感器做在濾色玻璃設(shè)計的下面。

當設(shè)計傳感器時，一種廣為接受的傳感器結(jié)構(gòu)是使用雙層傳感器，其中發(fā)射線在傳感器的下半部分，而接收線在上半部分。接收線對顯示噪聲敏感，但傳感器底部寬的發(fā)射線構(gòu)成了一個屏障，阻擋住顯示屏所產(chǎn)生的噪聲。這樣就有效地在傳感器中建立了一個屏蔽(圖6)。

圖6，采用MH3(a)、鉆石(b)和專利技術(shù)(c) 的觸摸屏傳感器使用了不同的堆疊法和材料。

在一個MH3雙層堆疊中，ITO(氧化銦)的底層用作顯示噪聲的屏蔽層。不幸的是，玻璃基傳感器很少采用這種方案，因為它增加了厚度和成本。業(yè)界正在努力在一個沒有屏蔽的單基層上建立傳感器。為了實現(xiàn)沒有屏蔽的真正單層傳感器，就要求觸摸屏IC能抵御顯示噪聲。這一任務很艱巨，因為顯示噪聲在交流共電極和直流共電極顯示屏中都很容易達到3V峰峰值。

即使采用直接壓層法也可以減少顯示噪聲，此時傳感器結(jié)構(gòu)被壓制在顯示屏的頂面，沒有氣隙或屏蔽，也稱顯示屏集成設(shè)計。一個例子是Cypress半導體公司防止顯示噪聲的Display Armor方法。此時，觸摸IC集成了一個內(nèi)置的觸摸器件聆聽通道，通過先進的算法決策確定哪個信息是噪聲，哪個信息是數(shù)據(jù)，從而消除了顯示噪聲。通過檢測噪聲源以及與波形的鎖定，就可以在安靜時做電容測量。這些降低顯示噪聲的方法以較低成本獲得了先進且更薄的電容觸摸屏。

除了高噪聲的顯示屏和充電器以外，電容觸摸屏設(shè)計者還面臨著很多其它挑戰(zhàn)。例如，天線是一個巨大的噪聲源挑戰(zhàn)。手機中的空間越來越緊張，各種元件(如天線和觸摸屏傳感器)實際上是相互重疊的。在處理觸摸屏的這部分內(nèi)容時這類設(shè)計挑戰(zhàn)可能帶來麻煩。所幸，幫助降低顯示與充電器噪聲的相同創(chuàng)新也有助于減少其