投射電容屏內(nèi)部噪聲的消除方法
要點(diǎn)
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(cuò)誤的響應(yīng)。
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(dòng)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(yàn)水平。
今天的用戶都希望采用多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)做精確操作，并仍能符合日益提高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者要滿足這些要求可不容易。隨著多點(diǎn)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(dāng)前的一個(gè)趨勢是手機(jī)做得越來越薄。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(fù)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(huì)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(dá)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(fù)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(shí)，充電器噪聲會(huì)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(gè)無響應(yīng)或不可靠的觸摸屏。肇事者通常是一個(gè)零售的低價(jià)充電器。盡管OEM提供的充電器一般有較嚴(yán)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(jī)。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?yàn)槭謾C(jī)充電，但可能會(huì)為觸摸屏注入大量噪聲，使手機(jī)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(jì)的變體(圖1)。
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(jì)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(gè)高噪聲系統(tǒng)。有些自激式轉(zhuǎn)換充電器幾乎是一個(gè)寬帶噪聲發(fā)生器，因?yàn)樗鼈儙缀踉趶?kHz~100kHz的范圍內(nèi)輻射高達(dá)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(gè)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(fù)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(fù)責(zé)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(yīng)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(yīng)不大于1V峰峰值，而隨著頻率的增加，噪聲等級會(huì)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(yán)格的規(guī)格。因此，現(xiàn)在OEM商希望能用觸摸IC應(yīng)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(yán)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(shí)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?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生大量噪聲，并被直接傳導(dǎo)給電容觸摸屏傳感器。更麻煩的是，OEM商們要求自己的手機(jī)有越來越薄的工業(yè)設(shè)計(jì)，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(gè)保護(hù)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(jī)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(gè)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(jī)越來越薄，這兩種方案都不適合于今天的設(shè)計(jì)。
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(dāng)采用傳統(tǒng)的TFT(薄膜晶體管)LCD時(shí)，可用直流電壓或交流電壓驅(qū)動(dòng)公共電極。交流公共電極層通常可降低顯示驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(shí)為500mV~3V峰峰值，而直流共電極顯示屏通常較寧靜。測量一個(gè)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(gè)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(jī)發(fā)光二極管)技術(shù)的使用正在手機(jī)中普及，因?yàn)樗懈鼘挼囊暯?、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(jià)格的代價(jià)(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(jì)。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。[!--empirenews.page--]
圖5，一個(gè)典型AMOLED有相對較小的顯示噪聲。
On-cell設(shè)計(jì)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(xué)組成，因?yàn)樗幱诙询B內(nèi)。噪聲與寄生負(fù)載都會(huì)增加。不過，AMOLED技術(shù)具有天然的寧靜性，因此是一個(gè)好的平臺，能將oncell或in-cell傳感器做在濾色玻璃設(shè)計(jì)的下面。
當(dāng)設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)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?yàn)樗黾恿撕穸群统杀尽I(yè)界正在努力在一個(gè)沒有屏蔽的單基層上建立傳感器。為了實(shí)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(wù)很艱巨，因?yàn)轱@示噪聲在交流共電極和直流共電極顯示屏中都很容易達(dá)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(shí)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(jì)。一個(gè)例子是Cypress半導(dǎo)體公司防止顯示噪聲的Display Armor方法。此時(shí)，觸摸IC集成了一個(gè)內(nèi)置的觸摸器件聆聽通道，通過先進(jìn)的算法決策確定哪個(gè)信息是噪聲，哪個(gè)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(shí)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(jìn)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(jì)者還面臨著很多其它挑戰(zhàn)。例如，天線是一個(gè)巨大的噪聲源挑戰(zhàn)。手機(jī)中的空間越來越緊張，各種元件(如天線和觸摸屏傳感器)實(shí)際上是相互重疊的。在處理觸摸屏的這部分內(nèi)容時(shí)這類設(shè)計(jì)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)新也有助于減少其它來源(比如如天線)的噪聲。無論是采用簡單的IIR(無限脈沖響應(yīng))濾波器、先進(jìn)的非線性濾波方法、內(nèi)置降噪硬件、跳頻功能，或任何其它方法，電容式觸摸屏都實(shí)現(xiàn)了嵌入設(shè)備中的某些最先進(jìn)的性能。
顯然，噪聲抑制能力是設(shè)計(jì)者最大的關(guān)切之一。無論是處理顯示屏、充電器、天線或其它來源的噪聲，觸摸IC都必須獲得相同水平的用戶體驗(yàn)。在電容觸摸技術(shù)方面，每天都在發(fā)生的創(chuàng)新，而觸摸IC也在不斷進(jìn)行著噪聲大戰(zhàn)。
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