關(guān)鍵詞： 電容式 , LED照明

作者: Vairamuthu Ramasamy和Shruti Hanumanthaiah，賽普拉斯半導(dǎo)體

我們在第二部分中介紹了PWM（脈沖寬度調(diào)制）的不用實(shí)現(xiàn)方法。在第三部分中，我們將探討設(shè)計(jì)具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)時(shí)所遇到的常見挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對方法。

布局設(shè)計(jì)

本節(jié)我們將討論在設(shè)計(jì)具有電容式傳感器和開關(guān)線路（例如LED、通信）的系統(tǒng)時(shí)所需遵循的重要布局設(shè)計(jì)規(guī)則。開關(guān)跡線與電容式傳感器跡線并行布置會使感應(yīng)系統(tǒng)的開關(guān)噪聲結(jié)合在一起。由于我們試圖以毫微微法拉級（fF）的分辨率測量電容，因此感應(yīng)模塊對串?dāng)_噪聲就會很敏感。只要傳感器跡線具有固定參考（例如并行的地線），感應(yīng)系統(tǒng)就會具有恒定電容，但是，開關(guān)跡線會在接地與高阻抗或VDD間快速切換，從而改變參考值，進(jìn)而導(dǎo)致電容變化。因此，在布線時(shí)應(yīng)遵循的方法是決不能讓開關(guān)跡線與感應(yīng)跡線并行放置。圖1給出了推薦的布局布線圖。

2014-6-30 16:41:59 上傳

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圖1：推薦的布線圖

我們應(yīng)該可以并行布置多條傳感器跡線以防止進(jìn)一步增加布線復(fù)雜性。讓我們看一看并行布置兩條傳感器線路時(shí)會出現(xiàn)的問題。假設(shè)當(dāng)掃描一條線路時(shí)，另一條線路為浮動(dòng)狀態(tài)。那么觸摸浮動(dòng)線路將導(dǎo)致與另一條線路間的電容變化。解決這個(gè)問題的辦法是將所有未被掃描的傳感器引腳接地。之所以能這樣做是因?yàn)榭刂破魍ǔ＞哂锌啥嗦窂?fù)用傳感器引腳的電容式傳感模塊。但是，如果器件支持對多條線路同時(shí)掃描，那么需要同時(shí)掃描的引腳不應(yīng)并行布線。例如，賽普拉斯的PsoC器件 支持雙通道同時(shí)掃描。

設(shè)計(jì)原理圖時(shí)將開關(guān)引腳與感應(yīng)引腳的隔離（見圖2）有助于在布局過程中避免并行布線。我們注意到在固件實(shí)現(xiàn)方案中可為PWM驅(qū)動(dòng)選擇任意引腳，這種優(yōu)勢能實(shí)現(xiàn)更方便的引腳分配。

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圖2：傳感器與開關(guān)線路的隔離引腳分配

考慮到電子系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，可能不一定總能完全避免并行布線。這種情況下可以采用一個(gè)電容器來降低LED線路的轉(zhuǎn)換率，進(jìn)而減少串?dāng)_，如圖3所示。電容器的取值通常是0.1μF。

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圖3：串?dāng)_解決方案

驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度

務(wù)必要選擇可滿足應(yīng)用中電流驅(qū)動(dòng)要求的控制器，以減少BOM成本。端口引腳通常具有較高的吸入電流能力和較低的輸出電流能力。應(yīng)把需要高電流的LED連接在吸入結(jié)構(gòu)中。這些引腳的驅(qū)動(dòng)模式應(yīng)該能夠在開漏模式下進(jìn)行配置。這樣，寫入0可將引腳驅(qū)動(dòng)到高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而關(guān)閉LED；寫入1可將引腳驅(qū)動(dòng)至低阻抗?fàn)顟B(tài)，從而打開LED。當(dāng)與電容式感應(yīng)相結(jié)合時(shí)，電流的吸入可能產(chǎn)生一個(gè)不良效果，會限制器件所能吸入的最大電流。我們將在第4部分具體介紹這個(gè)問題。

如果LED連接在多路復(fù)用結(jié)構(gòu)中，那么輸出能力就比較重要。需要更高驅(qū)動(dòng)電流的應(yīng)用必須使用外部MOSFET開關(guān)來驅(qū)動(dòng)LED。

負(fù)載瞬變噪聲

可以執(zhí)行電容式感應(yīng)并驅(qū)動(dòng)LED的SoC屬于混合信號IC，具有模擬和數(shù)字模塊。模擬和數(shù)字電路必須盡可能地進(jìn)行分離，以防止數(shù)字噪聲降低電容式感應(yīng)系統(tǒng)的性能。常見的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)在吸入模式下連接LED的輸出引腳并在邏輯高電平與邏輯低電平之間切換時(shí)，感應(yīng)系統(tǒng)會拾取接地噪聲。

為減少引腳數(shù)量，有些混合信號IC將芯片的模擬接地導(dǎo)體片和數(shù)字接地導(dǎo)體片共同連接到封裝的共用接地引腳上。該接合線電阻通常是幾十毫歐姆。圖4給出了這種引腳分配方式。

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圖4：地端結(jié)合原理圖

現(xiàn)在考慮LED被配置為吸入模式的情況。輸出引腳將LED電流吸入到IC地端，同時(shí)驅(qū)動(dòng)至低阻抗并打開LED。吸入的電流因接線的電阻產(chǎn)生IR壓降，并改變相對于電路板地端的IC接地電勢。盡管偏移量僅為幾毫伏，但感應(yīng)系統(tǒng)非常敏感，它需要在fF精度范圍內(nèi)測量電容。這對接地偏移比較敏感的感應(yīng)方法來說是個(gè)問題。

當(dāng)多個(gè)輸出引腳同時(shí)吸入電流時(shí)，這個(gè)問題會變嚴(yán)重。這會導(dǎo)致相當(dāng)于一個(gè)手指觸摸的傳感器原始計(jì)數(shù)有高偏移量，從而引起誤觸發(fā)。圖5給出了由LED切換引起的原始計(jì)數(shù)偏移。

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圖5：LED電流吸入引起的原始計(jì)數(shù)偏移

克服這個(gè)問題的一些常見技術(shù)包括：

1. 如果IC的模擬和數(shù)字接地接出到不同的引腳，應(yīng)使它們分開，并在電源端將它們短路。

2. 依照正確的布局原則減小電路板接地與IC接地之間的電阻，以減小寄生的IR壓降。

3. 減小連接LED的輸出引腳上的吸入電流，以減小寄生的IR壓降。

4. 在原理圖設(shè)計(jì)過程中一定要進(jìn)行引腳分配，以便將LED分配給遠(yuǎn)離IC接地引腳的引腳，并將傳感器分配給距接地引腳最近的引腳。這樣就能把寄生的IR壓降降到最小。

在這個(gè)部分中，我們探討了如何應(yīng)對具有電容式感應(yīng)和LED照明的系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在第4部分，我們將介紹針對此類應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)考慮因素。