電容式觸控感應(yīng)技術(shù)正在替代眾多應(yīng)用中的機(jī)械開關(guān)和按鈕。許多電池供電的手持和便攜式電子設(shè)備都已采用了電容式觸控感應(yīng)用戶界面。這些設(shè)備的功耗限制以及對能效的持續(xù)關(guān)注都使得低功耗設(shè)計(jì)成為電容式觸控感應(yīng)應(yīng)用的關(guān)鍵。
降低電容式觸控感應(yīng)應(yīng)用功耗的一些最佳方案包括：
? 利用最佳電路板布局方式優(yōu)化傳感器寄生電容(CP)
? 使用睡眠模式并優(yōu)化傳感器報(bào)告率
? 根據(jù)手指觸控事件改變報(bào)告率
? 使用優(yōu)先級(jí)規(guī)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(yōu)化傳感器寄生電容(CP)
電容式觸控傳感器一般由銅質(zhì)墊片、電容式感應(yīng)控制器輸入引腳以及線跡構(gòu)成。圖1顯示了典型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)，并標(biāo)有電場耦合線。
當(dāng)手指接觸到傳感器導(dǎo)體片的覆蓋層時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)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(yīng)控制器也會(huì)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(dǎo)體片電容，這是由于傳感器導(dǎo)體片與電路地電位(circuit ground)、連接電容式感應(yīng)控制器輸入引腳和傳感器導(dǎo)體片的線跡、過孔、電容式感應(yīng)控制器輸入引腳這四部分比較接近而產(chǎn)生的。
電容式感應(yīng)控制器利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將輸入引腳處測得的電容轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值。該控制器使用DSP算法持續(xù)監(jiān)控計(jì)數(shù)值，以識(shí)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(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持一定的靈敏度。如果CP很高，那么模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率就要相應(yīng)增加。增加的分辨率會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時(shí)間延長，從而增大電容感應(yīng)應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)體片和地電位間的環(huán)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(dǎo)體片直徑成非線性函數(shù)關(guān)系。CP 與PCB(印刷電路板)布局特性之間并不存在簡單的對應(yīng)關(guān)系，但是一般來說，增加環(huán)狀間隙和減少線跡長度與寬度都會(huì)降低CP。 遺憾的是，加寬傳感器導(dǎo)體片與地電位之間的間隙會(huì)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(yīng)控制器制造商的最佳PCB布局方案。
使用睡眠模式和優(yōu)化傳感器報(bào)告率
報(bào)告率和睡眠模式共同決定了對電容式觸控傳感器進(jìn)行的采樣方式(如圖2所示)。報(bào)告率明確規(guī)定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器對傳感器進(jìn)行采樣的頻率。當(dāng)對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)，電容式感應(yīng)控制器處于活動(dòng)模式。而當(dāng)控制器未對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)，就會(huì)進(jìn)入睡眠模式。控制器在睡眠模式下會(huì)斷開所有內(nèi)部模塊和外部設(shè)備的電源。市場上的大多數(shù)電容式感應(yīng)控制器都支持這種模式。
選擇較低的報(bào)告率和更長的睡眠時(shí)間是降低平均功耗的關(guān)鍵。報(bào)告率和睡眠模式直接影響電容式感應(yīng)控制器的平均電流消耗，如方程式1所示。
其中：
I活動(dòng) = 控制器對傳感器進(jìn)行采樣時(shí)所消耗的電流
T活動(dòng) = 控制器對所有傳感器采樣所需的時(shí)間
I睡眠= 控制器處于睡眠模式時(shí)所消耗的電流
T睡眠= 控制器處于睡眠模式所持續(xù)的時(shí)間
一般來說，人的手指觸摸按鈕的時(shí)間不可能短于150ms。典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間介于200至6000us。 這意味著在傳感器被觸摸的150ms時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行數(shù)次模數(shù)轉(zhuǎn)換。應(yīng)根據(jù)您的具體模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間來優(yōu)化報(bào)告率。
降低CP有助于縮短活動(dòng)時(shí)間(T活動(dòng))，因?yàn)榭刂破骺梢允褂幂^低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率。選用具有較低工作電流的電容式感應(yīng)控制器可以降低I活動(dòng)。記住，睡眠模式電流對平均電流的影響最小。
根據(jù)手指觸控事件改變報(bào)告率
在選擇報(bào)告率時(shí)應(yīng)考慮用戶與設(shè)備的互動(dòng)方式。消費(fèi)類電子產(chǎn)品可能每次開機(jī)后數(shù)小時(shí)內(nèi)手指都不會(huì)觸摸用戶界面。例如，音響系統(tǒng)或電視遙控器上的按鈕只有在一些像調(diào)節(jié)音量或更換頻道等情況下，才偶爾會(huì)使用到。但是，一旦按下某個(gè)按鈕，用戶就有可能需要觸摸多個(gè)按鈕來達(dá)到預(yù)期的效果。
根據(jù)這個(gè)實(shí)例，可降低對傳感器的采樣頻率(低報(bào)告率模式)，直到檢測到有按鈕被觸摸，這時(shí)再調(diào)高報(bào)告率(高報(bào)告率模式)以便對后續(xù)觸摸進(jìn)行快速響應(yīng)(如圖3所示)。如果在一段時(shí)間內(nèi)未檢測到手指觸摸，電容式感應(yīng)控制器就可以恢復(fù)到低報(bào)告率模式。可以根據(jù)觸控事件，使用可編程電容式感應(yīng)控制器來動(dòng)態(tài)改變報(bào)告率。
為了進(jìn)一步降低功耗，可在控制器處于低報(bào)告率模式下時(shí)將用戶界面的背光燈關(guān)閉。一旦檢測到有觸摸， 在控制器進(jìn)入高報(bào)告率模式時(shí)會(huì)再次打開背光燈。
利用優(yōu)先規(guī)則將控制器從睡眠模式中喚醒
在有些應(yīng)用中，所有按鈕都不能將電容式感應(yīng)控制器從睡眠模式中喚醒。
例如，當(dāng)電視機(jī)關(guān)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(gè)應(yīng)用中，當(dāng)關(guān)閉電源時(shí)，控制器只需對電源按鈕進(jìn)行采樣，而無需對電視機(jī)前面板上的任何其它按鈕進(jìn)行采樣。這樣可以縮短T活動(dòng)，并顯著降低平均功耗。
讓我們來了解一下典型的電視機(jī)前面板情況：
? 八個(gè)電容式觸控感應(yīng)按鈕
? 采樣時(shí)間 = 500uS/按鈕
? I活動(dòng) = 4mA
? T活動(dòng) = 10ms
? I睡眠 = 1uA
? T睡眠 = 90ms.
根據(jù)方程式1，當(dāng)對所有按鈕采樣時(shí)：
I平均 = 160uA
當(dāng)只有對電源按鈕采樣時(shí)：
I平均 = 20uA
在本文的第二部分，我將探討優(yōu)化電容式觸控感應(yīng)設(shè)計(jì)平均功耗的其他方法，例如：
? 使用聯(lián)動(dòng)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(wěn)壓器關(guān)閉電源
? 選用針對電容式感應(yīng)控制器的低功耗選項(xiàng)
