電容式接近感應技術在智能手機中的新型應用

引言

紅外(IR)接近傳感器目前被廣泛的應用于智能手機中來防止通話時用戶臉部造成的觸摸屏誤觸，同時降低功耗。IR傳感器具有探測距離遠，反映速度快等優(yōu)點，但是其昂貴的成本和復雜苛刻的裝配要求，促使手機廠商尋求成本更低、結構簡單的方案。電容式接近感應在白色家電、智能家居等領域的普及，為手機接近感應方案提供了一種有效的思路。本文提出了一種基于電容變化的手機接近感應方案，給出了具體的系統(tǒng)結構、硬件設計和控制要點。此方案已經(jīng)成功地應用到知名品牌的手機產(chǎn)品中，取得了很好的效果。

一 系統(tǒng)結構

電容式接近傳感系統(tǒng)的結構如圖1所示?？刂破魍ㄟ^電極檢測物體靠近手機時引起的電容值變化，一旦電容值變化超過控制器程序中設定的閾值，控制器便會向手機處理器發(fā)出中斷信號， 如果此時手機正處于通話模式，主機將關閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實現(xiàn)降低功耗和避免誤觸等目的。

電極負責探測電容變化，其設計質(zhì)量很大程序上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上就是一塊平面導體，可以是FPC上的一塊銅皮，也可以是電容觸摸屏上的一塊ITO薄膜。

圖2給出的ITO薄膜電極的設計示例。電極的尺寸直接影響接近感應的探測距離。在其他設計不變時，探測距離隨電極尺寸的增大而增大。電極在外形上要盡量圓滑，避免出現(xiàn)直角或者銳角，而且電極要盡量完整。在手機應用中，電極通常采用矩形來最大化感應面積，此時需要注意圓弧化電極的拐角。電極應該放在FPC或者ITO薄膜貼近觸摸屏的一側，而且背面的另一側通常需要騰空。電極背面對應的手機前殼區(qū)域應當避免有大面積的金屬，否則會影響探測距離。電極周邊需要鋪設地線來增強電容基準，屏蔽噪聲，并且提高感應方向的直線性。電極和地線的間距建議為0.5mm到1mm， 地線的寬度根據(jù)具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線應該盡量短且細，以減少寄生電容和耦合噪聲。

影響系統(tǒng)性能的另一個主要因素是控制器。我們選用了賽普拉斯(Cypress)公司具有全新Quitezone技術的可編程CapSense控制器CY8C20055。 Quitezone技術提供了無與倫比的抗輻射和傳導噪聲的能力，并且具有超低功耗，很適合在手機等移動終端中使用。該技術還實現(xiàn)了業(yè)界最佳的信噪比(SNR)，在高噪聲的環(huán)境中也可以通過Cypress已獲專利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法實現(xiàn)低至0.1pF的電容變化檢測，非常適合應用于接近感應。另外，CY8C20055采用SmartSense自動調(diào)教技術，可以實時動態(tài)補償運行時的環(huán)境變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道之間的一致性。

二 硬件電路

本文設計的電容式接近感應的電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路很簡單，最小配置只需要2個電容 — 調(diào)制電容C1和去耦電容C2。

在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來采集電容信號，推薦在連線靠近芯片處串聯(lián)一個典型值為560歐姆的電阻，來抑制RF噪聲。手機等移動產(chǎn)品都需要通過嚴格的ESD測試，由于電極的位置在手機上部，距離手機邊緣、聽筒、耳機插孔等很近(圖2)，而且電極面積相對較大，ESD電弧很容易在經(jīng)過這些開孔或者縫隙進入手機后耦合到電極上，對芯片管腳施加較大的電沖擊，存在損壞管腳的風險。本設計在靠近芯片一側添加了TVS之類的ESD防護元件來保護芯片，需要注意的是所選TVS器件的自身電容不能太大。CY8C20055提供I2C或者SPI接口與主機進行通訊。本設計中，主機可以通過I2C總線來配置感應參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關閉或喚醒芯片等等，也可以進行芯片程序(Firmware)的在線升級。

在PCB或者FPC布局時，調(diào)制電容和去耦電容需要盡量貼近芯片管腳。在走線時，主要注意避免電極引線和I2C信號線、電源線平行，如果無法避免，應該在走線中間加入地線作為隔離。