电容屏、显示屏与充电器噪声研究

显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 显示屏与充电器噪声研究 投射式电容技术正在不断发展 白皮书 John Carey, 赛普拉斯半导体公司 TrueTouch 营销部总监 介绍 在触控体验成为手机创新最重要特征的今天，机内组件的速度 和复杂性也迅猛发展！不仅要打造精密度可满足当今用户需要 的多点触控系统，还需应对苛刻的环境条件，这不是一项小工 程。这种挑战因内部环境的快速变化而日益显著。在触摸屏争 夺主导地位的战争中，新的战场正在不断涌现。 让手机变得更薄是当前行业发展趋势。这意味着需将电容触摸 传感器与显示屏直接贴合，或将传感器集成在显示屏模块中， 以及解决天线和接地负载方面的诸多其他挑战。只在传感器结 构上加屏蔽层来阻挡显示屏噪声在过去是可以接受的解决方 案，但这种时代已经一去不复返了。这会增加巨大的成本。 除显示屏以外，USB 充电连接器的普遍使用将充电器商品化为 一种利润非常微薄的产品。目前，对电容触摸屏 IC 的是在 噪声高达 40 Vpp AC的情况下，能够感应到微库仑级别的变化 。所有这些因素综合起来所形成的对触摸屏 IC 的要求远远比 市场起步时的要求复杂。创新势在必行，抗击噪声的战争拉开 了序幕。 充电器噪声 充电器噪声是电容式触摸屏中谈论最多的噪声源之一。当 触摸发生时，这种噪声通过电池充电器物理耦合至传感器。它 可以现为触摸的精度或线性度下降、产生误触或虚触，甚至 是触摸屏变得无响应或者不稳定。罪魁祸首一般是配件市场的 低成本充电器。 尽管设计为与特定手机配合使用的 OEM 厂商的充电器具有较 为严格的噪声规格，但在充电电路中广泛采用 USB 连接器为配 件市场创造了巨大的机会。为了在该空间竞争，配件厂商正在 充分地降低充电器成本。用采用低成本电子器件的充电器给手 机充电时会为触摸屏注入很多噪声，从而导致其可能无法使用 。 自激式转换器和反激式转换器是使用最为广泛的两种电池充电 器类型。反激式转换器充电器通常使用脉冲宽度调制 (PWM) 电 路，而自激式转换器是反激式转换器的、成本极为低廉的自振 荡变体形式。下列图表对二者之间的结构差异进行了说明。 摘要 触摸屏在噪声方面的性能是如今 移动电子设备设计人员面临的巨 大障碍之一。本文将讨论两个主 要噪声源，即显示屏噪声和充电 器噪声。文中将讨论可用来克服 这些难题的设计技巧和可用解决 。 2      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 低寄生变压器 MCU控制器4个二极管 PWM 控制器 FBC : 反激式转换器 优质充电器 交流整流 劣质充电器 RRC : 自激式转换器 1-2个二极管 交流整流 无极性输入 电容器 有极性输入 电容器 无 Y-CAP 调制器 （仅 13001） 输出 设备地线有极性输入电容器 高寄生变压器 输出整流 变压器 反馈型光耦合器 无极性输入 电容器 有极性输入电容器 输出整流 无极性输出 电容器 输出 变压器 设备地线 有极性输入 电容器 调制器 （PWM 控制器） 反馈型光耦合器 控制 电路 显然，自激式转换器比反激式转换器少了很多东西：少了 MCU 和 PWM 控制器，无 Y 电容，成本更低的变压器，更少的二极管，以及电容更低的有极性输入电容器。这为制 造商节约了大量成本，所造成的结果是系统的噪声非常大。 一些自激式转换器充电器几乎可以被归类为宽带噪声生成器，因为它们在 1 kHz 到将近 100 kHz 之间的频谱范围内可以产生高达 40 Vpp 的噪声。这些噪声在其谐波频率上大多 数都会有出现周期性噪声的趋势。一种知名充电器经测量，其输出的噪声介于 10 Vpp 到 25 Vpp 之间。下面是该设备在不同负载情况下的测量值。 3      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 0% 负载 50% 负载 100% 负载 时间（秒） 谐波 (Hz) 时间（秒） 时间（秒） 谐波 (Hz) 谐波 (Hz) 幅 度 （ 伏 ） 幅 度 （ 伏 ） 幅 度 （ 伏 ） 噪声信号谱 噪声信号谱 噪声信号谱 很容易看到该充电器所生成的不同谐波，并且噪声峰值电压可高达 25 Vpp。另外值得注 意的一点是，其噪声反应与电池状态本身息息相关。为了消除这种现象，许多 OEM 厂商 联合起来创建了 EN 规范，这些规范对充电器在任何频率下发出的最大噪声水平进行了限 定。EN 62684-2010 和 EN 301489-34v1.1.1 对这些噪声水平进行了限定，请见下图。 4      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 http ://www .onechargerfo ra ll.eu /en/index.h tm lFrequency (Hz)频率 (Hz) 幅 度  (V pp ) EN规范 在从 1 kHz 到 100 kHz 的范围内，充电器输出的噪声不应超过1 Vpp，若频率高出此范围，那么 噪声水平随着频率的升高按指数级降低。尽管该规范较为严格，但配件市场中的充电器并没有遵 守。因此，OEM 厂商目前要求触摸屏 IC 具有更高水平的噪声处理能力。一些规范要求频率介于 1 kHz 到 400 kHz 时，噪声为 40 Vpp，并且在 50-60 Hz 之间具有 95 Vpp 的抗噪声能力。值得 庆幸的是，市场上已有专门的算法和方法（例如赛普拉斯的 Charger Armor）可以满足严格的要 求，并具备 95 Vpp 以上的抗充电器噪声能力。这些水平是通过各种手段来实现的，这些手段可 以是非线性滤波、跳频，也可以是其他硬件方法。 实现可满足当今移动行业要求规格的抗噪声能力并非是微不足道的小事。一般触摸屏方案利用处 理器后端进行滤波来解决这个问题。虽然俗语“根不正苗必歪”并不是 100% 准确，但是一开始 就有干净的信号对提高抗噪声能力仍然很关键。克服充电器噪声（特别是那些输出宽带噪声）的 最佳方法之一，是使用纯净的信号来予以克服。由于触摸控制 IC 模拟端得到的原始信噪比与触 摸屏的驱动电压成正比，因此期望采用高驱动电压 (TX)。 5      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 一般的触摸屏控制器是以设备电压2.7v来驱动触摸屏，而赛普拉斯的 Gen4 控制器则有些不同 。它同样采用 2.7 V 的模拟电源，但实际上却以 10 V 的电压驱动触摸屏。Gen4 控制器内部集成 了电荷泵和 10v 晶体管，这使得它们能够实现 3.7 倍于其他任何芯片的原始信噪比。 一旦获取信号后，就可以采用中值滤波或其他更先进的非线性滤波等典型技术来进一步提高信 噪比，但这将以牺牲刷新率为代价。经证实，10 V 驱动信号 Tx 能够处理充电器输出的高达 31 Vpp的带内噪声，而并不需要采用这种先进的滤波类型处理。 但是当带内噪声太高时又将怎样？这就是其他先进处理技术的重要性所在。如果设备需处理的 带内噪声变得很大，Gen4 具有的独特处理能力便可派上用场：通过动态调整其扫描驱动 (Tx) 频率并转换信道来避免噪声。此自适应跳频技术是解决触摸屏中的充电器噪声问题的另一项关 键技术。 显示屏噪声 显示屏给投射式电容触摸屏系统带来了许多挑战。这是因为它们会产生相当大的噪声，这些噪 声可以直接传导到电容触摸屏传感器。还有一件更难的事情是，OEM 厂商要求手机型号采用 更薄的工业设计，这意味着要使实际的触摸屏传感器更加接近显示屏，甚至就在其里面。 多年来，业内一直在使用屏蔽层来保护触摸屏传感器免受显示屏噪声的影响。这会增加任何手 机的成本与厚度，但却十分有效。业内还在显示屏和传感器之间使用了一个通常约为 0.3 毫米 的空气间隙，以利用空气的自然属性来消散来自显示屏的传导噪声。然而，在让手机尽可能纤 薄的行业趋势下，这两种方案对如今的设计而言都不甚理想。 所幸的是，显示屏发出的噪声水平远远低于充电器发出的噪声水平。但它们被直接耦合到传感 器的整个表面，仍然很难处理。 在传统的 TFT 液晶显示屏中，公共电极 (VCOM) 由直流或交流电压驱动。ACVCOM 层通常用 来降低显示屏驱动器的工作电压，同时保持整个液晶屏上的电压恒定。这是一种成本相对较低 的显示屏，与 DCVCOM 相比，这种类型的显示屏功耗更高，噪声也更大。下图显示的是 ACVCOM 显示屏的典型波形。 6      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 时间 电 压 典型 ACVCOM 类型的显示屏会有集中在 10-30 kHz 的介于 500 mVpp - 3 Vpp 之间的噪声（如 上所示），而 DCVCOM 的噪声则较小。要测量显示屏的噪声非常简单，可以在显示屏上加一个 小铜箔，将示波器探头连接到该小铜箔，并将示波器的地线连接到显示屏的电路地线，然后运行 显示屏以捕获波形。 AMOLED 越来越得到了手机市场的青睐。它具有非常宽的视角，并可提供非常明亮的颜色和较高 的对比度。此外，AMOLED 显示屏还具有惊人的低噪声特点，尽管此功能会带来价格上的增加。 下面是典型的 AMOLED 显示屏噪声的例子。 时间 电 压 7      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 请注意，AMOLED 显示屏的峰值噪声大约为 30 mVpp。该值是 ACVCOM 显示屏噪声的 1%，这对触摸屏设计大有帮助。实际上，这种类型的显示屏可以轻松地实现在物理显示屏 内部集成触摸屏传感器，以形成外嵌式 (on-cell) 或内嵌式 (in-cell) 拓扑结构。不过，其价格 要比传统液晶显示屏贵很多。 对于外嵌式设计，传感器层的物理位置位于显示屏内部滤色玻璃的上面。这使其与显示屏的 化学物质更为靠近，因为它在物理上属于 LCD 模块层叠结构的一部分。这种情况下，不仅 噪声会增加，寄生负载也会增加。所幸的是，AMOLED 具有固有的低噪声特点，因此可为 外嵌式或内嵌式（传感器位于滤色玻璃的下面）设计提供非常出色的平台。 在触摸屏 IC 不能使用气隙或屏蔽层时，该如何处理显示屏噪声？值得庆幸的是，在设计 PET 传感器时，一种广受认可的传感器结构是，使用双层传感器，其中 Tx 线路位于传感器 底部，Rx 线路位于顶部。由于 Rx 线路对显示屏噪声较为敏感，因此传感器底部较宽的 Tx 线路便形成一道屏障，可以阻挡显示屏所产生的噪声。这有效地为传感器模式构建了屏蔽功 能。下图显示的是各种类型的传感器结构。 双层 真正的单层 MH3 是上面所述的双层叠层，其中 ITO 的底层充当显示屏噪声的屏蔽层。遗憾的是，该解 决方案一般不用于基于玻璃的传感器，并且它也会增加厚度和成本。因此，业内正在努力 构建没有屏蔽层的单层传感器。要实现没有屏蔽层的真正单层传感器，就需要触摸屏 IC 对 显示屏噪声具有回弹力。这不是一项简单的任务，因为显示屏噪声在 AC 或 DCVCOM 类型 的显示屏中轻易就会达到 3 Vpp。 值得庆幸的是依然有办法可以使显示屏噪声对触摸屏的影响减低，即使是在直接贴合设计 （传感器直接贴合在显示屏上面，没有气隙或屏蔽层）或显示屏集成式设计类型中。赛普 拉斯的 Display Armor 是业内采用的用来抗击显示屏噪声最先进的方法。通过在触摸屏设计 中集成噪声监听通道，触摸屏 IC 可以以两种截然不同的方式消除显示屏噪声。一种方式是 通过先进算法来区分信息中的噪声和有用数据。另一种方式是探测噪声源并解析噪声波 8      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 形，以便在无噪声期间进行电容测量。任何一种方式所带来的结果都是，以较低的成本实 现更薄的高级电容触摸屏层叠结构。 除了显示屏和充电器噪声之外，如今的电容触摸屏设计者还面临着许多其他挑战。天线是噪 声源方面的巨大挑战。随着手机内部空间的进一步压缩，各组件几乎是相互叠放在了一起。 天线和触摸屏传感器就是这种情况。在触摸屏控制器处理信号时，这类设计将会构成挑战触 摸屏性能的真正问题。所幸的是，可帮助处理显示屏与充电器噪声的创新技术同样可以应用 于天线等其他噪声源。简单来说，这些技术包括 IIR 滤波器，高级非线性滤波方法、内置抗 噪声硬件、跳频功能或任何其他方法；在整个嵌入式设备中, 电容触摸屏实现了一些最先进 的功能。 尽管投射式电容触摸屏控制器存在着很大的发展空间，但抗噪声能力的提升显然是其中最大的 趋势。无论噪声来自显示屏、充电器、天线还是其他来源，触摸屏 IC 都需要积极发挥作 用，以提供同样水平的用户体验。在电容触摸技术领域，每天都有创新，触摸屏 IC 会将噪 声抗击战进行到底。 John Carey 担任赛普拉斯半导体公司 TrueTouch 技术部营销总监，持有加州大学电子工程硕士学位和亚利桑那 州立大学电子工程学士学位。您可以通过 john.carey@cypress.com 与其联系。 Cypress Semiconductor 198 Champion Court San Jose, CA 95134-1709 电话：408-943-2600 传真：408-943-4730 http://www.cypress.com © 赛普拉斯半导体公司，2011 年。本文包含的信息可能会有变动，恕不另行通知。如果使用的电路不是赛普拉斯产品中包含的 电路，则赛普拉斯半导体公司对因此造成的问题概不负责。赛普拉斯半导体公司既不表示也不暗示授予专利权或其他权利下的 任何许可。赛普拉斯产品不保证可用于，且预期用途也不是用于医疗、生命支持、挽救生命、关键控制或安全应用，除非与赛 普拉斯之间有明确的此类书面协议。此外，在以下情况下赛普拉斯不准许将其产品用作生命支持系统中的关键组件：如果按合 理预期认为可能造成故障或失灵，从而对用户造成重大伤害。如果在生命支持系统应用中包含赛普拉斯产品，则表明制造商需 承担此类使用所存在的全部风险，并赔偿赛普拉斯产生的所有费用。 PSoC Designer™、Programmable System-on-Chip™ 和 PSoC Express™ 是赛普拉斯半导体公司的商标，而 PSoC® 则是赛 普拉斯半导体公司的注册商标。本文提到的所有其他商标均为相应公司的资产。 9      赛普拉斯半导体公司 显示屏与充电器噪声研究：投射式电容技术正在不断发展 2011 年 9 月 此源代码（软件和/或固件）归赛普拉斯半导体公司（赛普拉斯）所有，并受世界范围内的版权保护法（美国及其他国家/地区）、 美国版权法和国际公约条款的保护。赛普拉斯特此授予被许可方个人、非独有、不可转让的许可，允许其仅出于创建定制软件 和/或固件以支持被许可方产品与适用协议中所规定的赛普拉斯集成电路结合使用这种目的而复制、使用、修改、据此创建衍生作 品和编译此赛普拉斯源代码及衍生作品。未经赛普拉斯明确书面许可，禁止对此源代码进行除上述规定之外的任何复制、修改、 翻译、编译或陈述。 免责声明：赛普拉斯对此材料不作任何种类的明示或默示担保，包括但不限于对适销性及针对某特定用途的适用性。赛普拉斯 有权在未事先通知的情况下对本文所述的材料作出变动。对于因应用或使用本文所述的任何产品或电路所引起的任何责任，赛 普拉斯概不负责。在以下情况下赛普拉斯不准许将其产品用作生命支持系统中的关键组件：如果按合理预期认为可能造成故障 或失灵，从而对用户造成重大伤害。如果在生命支持系统应用中包含赛普拉斯产品，则表明制造商需承担此类使用所存在的全 部风险，并赔偿赛普拉斯产生的所有费用。 对产品的使用可能会受到适用的赛普拉斯软件许可协议的限制。