优化电容式触控应用的平均功耗1

作者： Multitouch 时间：2013-07-09 源于：EEPW电子产品世界总点击：

【导读】：电容式触控感应技术正在替代众多应用中的机械开关和按钮。许多电池供电的手持和便携式电子设备都已采用了电容式触控感应用户界面。这些设备的功耗限制以及对能效的持续关注都使得低功耗设计成为电容式触控感应应用的关键。

　电容式触控感应技术正在替代众多应用中的机械开关和按钮。许多电池供电的手持和便携式电子设备都已采用了电容式触控感应用户界面。这些设备的功耗限制以及对能效的持续关注都使得低功耗设计成为电容式触控感应应用的关键。

　　降低电容式触控感应应用功耗的一些最佳方案包括：

　　♦ 利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容(CP)
　　♦ 使用睡眠模式并优化传感器报告率
　　♦ 根据手指触控事件改变报告率
　　♦ 使用优先级规则将控制器从睡眠模式中唤醒

　　利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容(CP)

　　电容式触控传感器一般由铜质垫片、电容式感应控制器输入引脚以及线迹构成。图1显示了典型电容式传感器的结构，并标有电场耦合线。　　

　　当手指接触到传感器导体片的覆盖层时，就会形成一个简单的平行板形电容器，称为手指电容(CF)。即使手指没有接触覆盖层，电容感应控制器也会测量到一些寄生电容(CP)。CP为传感器上的总分布电容，其中包括传感器导体片电容，这是由于传感器导体片与电路地电位(circuit ground)、连接电容式感应控制器输入引脚和传感器导体片的线迹、过孔、电容式感应控制器输入引脚这四部分比较接近而产生的。

　　电容式感应控制器利用模数转换器(ADC)将输入引脚处测得的电容转换为计数值。该控制器使用DSP算法持续监控计数值，以识别因手指触摸而引起的传感器电容增加情况。

　　为了精确检测手指触摸，必须对模数转换器的分辨率进行调节以保持一定的灵敏度。如果CP很高，那么模数转换器的分辨率就要相应增加。增加的分辨率会导致转换时间延长，从而增大电容感应应用的平均功耗。为了降低功耗，需要降低传感器的CP以便可以使用更低分辨率的模数转换器以及睡眠模式。

　　CP的主要组成部分是线迹电容和传感器电容。CP与传感器导体片和地电位间的环状间隙、线迹与地电位的距离、线迹长度与宽度以及传感器导体片直径成非线性函数关系。CP 与PCB(印刷电路板)布局特性之间并不存在简单的对应关系，但是一般来说，增加环状间隙和减少线迹长度与宽度都会降低CP。遗憾的是，加宽传感器导体片与地电位之间的间隙会降低抗干扰性能。要想获得最佳的CP 和抗干扰性能，需要遵循电容式感应控制器制造商的最佳PCB布局方案。

　　使用睡眠模式和优化传感器报告率

　　报告率和睡眠模式共同决定了对电容式触控传感器进行的采样方式(如图2所示)。报告率明确规定了模数转换器对传感器进行采样的频率。当对传感器进行采样时，电容式感应控制器处于活动模式。而当控制器未对传感器进行采样时，就会进入睡眠模式。控制器在睡眠模式下会断开所有内部模块和外部设备的电源。市场上的大多数电容式感应控制器都支持这种模式。　　

　　选择较低的报告率和更长的睡眠时间是降低平均功耗的关键。报告率和睡眠模式直接影响电容式感应控制器的平均电流消耗，如方程式1所示。　

其中：

　　I活动 = 控制器对传感器进行采样时所消耗的电流

　　T活动 = 控制器对所有传感器采样所需的时间

　　I睡眠= 控制器处于睡眠模式时所消耗的电流

　　T睡眠= 控制器处于睡眠模式所持续的时间

　　一般来说，人的手指触摸按钮的时间不可能短于150ms。典型的模数转换时间介于200至6000us。这意味着在传感器被触摸的150ms时间内可以进行数次模数转换。应根据您的具体模数转换时间来优化报告率。

　　降低CP有助于缩短活动时间(T活动)，因为控制器可以使用较低的模数转换器分辨率。选用具有较低工作电流的电容式感应控制器可以降低I活动。记住，睡眠模式电流对平均电流的影响最小。

　　根据手指触控事件改变报告率

　　在选择报告率时应考虑用户与设备的互动方式。消费类电子产品可能每次开机后数小时内手指都不会触摸用户界面。例如，音响系统或电视遥控器上的按钮只有在一些像调节音量或更换频道等情况下，才偶尔会使用到。但是，一旦按下某个按钮，用户就有可能需要触摸多个按钮来达到预期的效果。

　　根据这个实例，可降低对传感器的采样频率(低报告率模式)，直到检测到有按钮被触摸，这时再调高报告率(高报告率模式)以便对后续触摸进行快速响应(如图3所示)。如果在一段时间内未检测到手指触摸，电容式感应控制器就可以恢复到低报告率模式。可以根据触控事件，使用可编程电容式感应控制器来动态改变报告率。　　