發布日期：2022-10-09 點擊率：57
電容式觸控感應技術正在替代眾多應用中的機械開關和按鈕。許多電池供電的手持和便攜式電子設備都已采用了電容式觸控感應用戶界面。這些設備的功耗限制以及對能效的持續關注都使得低功耗設計成為電容式觸控感應應用的關鍵。
降低電容式觸控感應應用功耗的一些最佳方案包括：
? 利用最佳電路板布局方式優化傳感器寄生電容(CP)
? 使用睡眠模式并優化傳感器報告率
? 根據手指觸控事件改變報告率
? 使用優先級規則將控制器從睡眠模式中喚醒
利用最佳電路板布局方式優化傳感器寄生電容(CP)
電容式觸控傳感器一般由銅質墊片、電容式感應控制器輸入引腳以及線跡構成。圖1顯示了典型電容式傳感器的結構，并標有電場耦合線。
當手指接觸到傳感器導體片的覆蓋層時，就會形成一個簡單的平行板形電容器，稱為手指電容(CF)。即使手指沒有接觸覆蓋層，電容感應控制器也會測量到一些寄生電容(CP)。CP為傳感器上的總分布電容，其中包括傳感器導體片電容，這是由于傳感器導體片與電路地電位(circuit ground)、連接電容式感應控制器輸入引腳和傳感器導體片的線跡、過孔、電容式感應控制器輸入引腳這四部分比較接近而產生的。
電容式感應控制器利用模數轉換器(ADC)將輸入引腳處測得的電容轉換為計數值。該控制器使用DSP算法持續監控計數值，以識別因手指觸摸而引起的傳感器電容增加情況。
為了精確檢測手指觸摸，必須對模數轉換器的分辨率進行調節以保持一定的靈敏度。如果CP很高，那么模數轉換器的分辨率就要相應增加。增加的分辨率會導致轉換時間延長，從而增大電容感應應用的平均功耗。為了降低功耗，需要降低傳感器的CP以便可以使用更低分辨率的模數轉換器以及睡眠模式。
CP的主要組成部分是線跡電容和傳感器電容。CP與傳感器導體片和地電位間的環狀間隙、線跡與地電位的距離、線跡長度與寬度以及傳感器導體片直徑成非線性函數關系。CP 與PCB(印刷電路板)布局特性之間并不存在簡單的對應關系，但是一般來說，增加環狀間隙和減少線跡長度與寬度都會降低CP。 遺憾的是，加寬傳感器導體片與地電位之間的間隙會降低抗干擾性能。要想獲得最佳的CP 和抗干擾性能，需要遵循電容式感應控制器制造商的最佳PCB布局方案。
使用睡眠模式和優化傳感器報告率
報告率和睡眠模式共同決定了對電容式觸控傳感器進行的采樣方式(如圖2所示)。報告率明確規定了模數轉換器對傳感器進行采樣的頻率。當對傳感器進行采樣時，電容式感應控制器處于活動模式。而當控制器未對傳感器進行采樣時，就會進入睡眠模式。控制器在睡眠模式下會斷開所有內部模塊和外部設備的電源。市場上的大多數電容式感應控制器都支持這種模式。
選擇較低的報告率和更長的睡眠時間是降低平均功耗的關鍵。報告率和睡眠模式直接影響電容式感應控制器的平均電流消耗，如方程式1所示。
其中：
I活動 = 控制器對傳感器進行采樣時所消耗的電流
T活動 = 控制器對所有傳感器采樣所需的時間
I睡眠= 控制器處于睡眠模式時所消耗的電流
T睡眠= 控制器處于睡眠模式所持續的時間
一般來說，人的手指觸摸按鈕的時間不可能短于150ms。典型的模數轉換時間介于200至6000us。 這意味著在傳感器被觸摸的150ms時間內可以進行數次模數轉換。應根據您的具體模數轉換時間來優化報告率。
降低CP有助于縮短活動時間(T活動)，因為控制器可以使用較低的模數轉換器分辨率。選用具有較低工作電流的電容式感應控制器可以降低I活動。記住，睡眠模式電流對平均電流的影響最小。
根據手指觸控事件改變報告率
在選擇報告率時應考慮用戶與設備的互動方式。消費類電子產品可能每次開機后數小時內手指都不會觸摸用戶界面。例如，音響系統或電視遙控器上的按鈕只有在一些像調節音量或更換頻道等情況下，才偶爾會使用到。但是，一旦按下某個按鈕，用戶就有可能需要觸摸多個按鈕來達到預期的效果。
根據這個實例，可降低對傳感器的采樣頻率(低報告率模式)，直到檢測到有按鈕被觸摸，這時再調高報告率(高報告率模式)以便對后續觸摸進行快速響應(如圖3所示)。如果在一段時間內未檢測到手指觸摸，電容式感應控制器就可以恢復到低報告率模式。可以根據觸控事件，使用可編程電容式感應控制器來動態改變報告率。
為了進一步降低功耗，可在控制器處于低報告率模式下時將用戶界面的背光燈關閉。一旦檢測到有觸摸， 在控制器進入高報告率模式時會再次打開背光燈。
利用優先規則將控制器從睡眠模式中喚醒
在有些應用中，所有按鈕都不能將電容式感應控制器從睡眠模式中喚醒。
例如，當電視機關閉后，控制器只需檢測電源按鈕上的手指觸控以便打開電視。在這個應用中，當關閉電源時，控制器只需對電源按鈕進行采樣，而無需對電視機前面板上的任何其它按鈕進行采樣。這樣可以縮短T活動，并顯著降低平均功耗。
讓我們來了解一下典型的電視機前面板情況：
? 八個電容式觸控感應按鈕
? 采樣時間 = 500uS/按鈕
? I活動 = 4mA
? T活動 = 10ms
? I睡眠 = 1uA
? T睡眠 = 90ms.
根據方程式1，當對所有按鈕采樣時：
I平均 = 160uA
當只有對電源按鈕采樣時：
I平均 = 20uA
在本文的第二部分，我將探討優化電容式觸控感應設計平均功耗的其他方法，例如：
? 使用聯動電容式傳感器法將控制器從睡眠模式中喚醒
? 使用接近傳感器將控制器從睡眠模式中喚醒
? 使用外部穩壓器關閉電源
? 選用針對電容式感應控制器的低功耗選項
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 臺灣工研院凌空觸控 A
