充電器與共模噪聲

電容式觸摸屏設(shè)備的一大問(wèn)題在于充電器發(fā)出高強(qiáng)度的高頻噪聲時(shí)觸摸性能會(huì)下降。一些移動(dòng)設(shè)備在插入充電器時(shí)只提供有限的觸摸功能，或是在連接設(shè)備不適用的 充電器時(shí)顯示不能使用該充電器的信息，以此來(lái)應(yīng)對(duì)高噪聲充電器的問(wèn)題。上述解決方案往最好了說(shuō)也并不完善。快速瀏覽一下在線論壇和留言板上的相關(guān)信息，我 們就能發(fā)現(xiàn)觸摸屏設(shè)備受充電器噪聲影響的問(wèn)題很普遍，而且已經(jīng)讓一些消費(fèi)者感到很頭疼了。

USB正作為一種標(biāo)準(zhǔn)的充電接口在移動(dòng)設(shè)備中快速推廣，這也催生了大量低成本的售后選配市場(chǎng)充電器。許多充電器更關(guān)注成本問(wèn)題，而不重視性能，這些充電器采用廉價(jià)組件，或者缺乏能協(xié)助降低共模噪聲的特定組件。

設(shè)備的電源和接地供電電壓相對(duì)于地壓波動(dòng)，但同時(shí)二者之間又保持相同的壓差，就會(huì)形成共模噪聲。這種波動(dòng)僅在接地耦合手指觸摸屏幕時(shí)才會(huì)影響觸摸屏的性能。手指的電勢(shì)與地壓相同，手機(jī)電源和接地相對(duì)其波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致噪聲通過(guò)手指注入觸摸屏。注入的電荷量主要取決于噪聲的峰值對(duì)峰值電壓。

電容越高，意味著注入觸摸屏的噪聲就越大。在這種情況下，電容平行板的一側(cè)由手指接觸區(qū)域形成，另一側(cè)由觸摸屏傳感器的接收電極形成。首先，隨著手指與觸 摸屏接觸面積的增加，電容也相應(yīng)成比例增加。不過(guò)，由于接收電極由極窄的行或列構(gòu)成，因此實(shí)際起作用的是手指的直徑(參見圖1)。


一些OEM廠商使用較小手指(如7毫米)來(lái)測(cè)試其設(shè)備對(duì)充電器噪聲的抗擾能力。不過(guò)，這不能涵蓋所有使用案例。典型的手指直徑為9毫米，典型的拇指直徑為 18到22毫米。如果只測(cè)試7毫米的手指，并不能確保拇指解鎖手機(jī)或操控滾動(dòng)列表這樣的常見案例。事實(shí)上，如果我們來(lái)分析直徑的不同，那么22毫米的拇指 注入的電荷是7毫米手指的3倍多！

手指和接收電極之間的距離(d)主要由觸摸屏覆 蓋透鏡的厚度決定(見圖2)。典型的覆蓋透鏡厚度范圍從0.5毫米到1.0毫米不等。這就意味著具有0.5毫米覆蓋透鏡的設(shè)備其“d”是1.0毫米覆蓋透 鏡設(shè)備的一半，而電容則為2倍。換言之，0.5毫米覆蓋透鏡注入的噪聲是1.0毫米覆蓋透鏡的兩倍。隨著設(shè)備的外觀形狀向更輕薄的趨勢(shì)發(fā)展，覆蓋透鏡的厚 度以及觸摸控制器承受更輕薄透鏡造成更大噪聲的能力也變得益發(fā)重要。


雖然充電器需要通過(guò)若干項(xiàng)產(chǎn)品認(rèn)證，但對(duì)于共模噪聲并沒有什么相關(guān)的要求。2010年，一批手機(jī)OEM廠商就制定通用規(guī)范EN62684達(dá)成共識(shí)，用以管 理充電器在頻率范圍內(nèi)可允許的最大峰值對(duì)峰值電壓。該規(guī)范要求充電器產(chǎn)生的噪聲不得超過(guò)1Vpp(從1kHz到100kHz)，而在100kHz頻率以上 則要求更低的電壓強(qiáng)度。典型的選配市場(chǎng)充電器并不遵循這一指導(dǎo)性要求。

雖然較低噪聲的充電器產(chǎn)生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動(dòng)范圍則達(dá)到20–40Vpp，這就會(huì)產(chǎn)生巨量電荷轉(zhuǎn)移。注入電荷的量取決于噪聲的電壓幅度(Q=C*V)。雖然噪聲量很大，但觸摸屏控制器仍必須能檢測(cè)到引發(fā)幅度較小的電荷變化的手指。
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電容式觸摸屏手 機(jī)還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動(dòng)高清鏈接(MHL)，這是用來(lái)從手機(jī)向HDTV傳輸音頻視頻的標(biāo)準(zhǔn)接口。手機(jī)通過(guò)MHL適配器連接到HDTV，該適 配器將手機(jī)的USB接口轉(zhuǎn)換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來(lái)源于電視電源，并會(huì)通過(guò)HDMI和USB線纜傳遞給手機(jī)。

解決噪聲問(wèn)題

由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應(yīng)于在既定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩(wěn)健性的抗噪性，首要關(guān)注的因素就是信噪比(SNR)。我們可通過(guò)以下幾種不同特性來(lái)提高信噪比。

提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的發(fā)射電壓來(lái)掃描觸摸屏的 傳感器。原始SNR與發(fā)射電壓成正比，因而越大越好。過(guò)去，高電壓發(fā)射對(duì)于許多觸摸屏控制器來(lái)說(shuō)都一直是個(gè)挑戰(zhàn)，只能通過(guò)采用外部高電壓模擬電源(有時(shí)這 會(huì)大幅增加功耗，而且大多數(shù)消費(fèi)類手持設(shè)備都無(wú)法支持)才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關(guān)穩(wěn)壓器等。上述兩種方法都會(huì)額外增加設(shè)備的成 本。而現(xiàn)在，新型觸摸屏控制器能通過(guò)內(nèi)部電荷泵生成片上高電壓發(fā)射。

另一個(gè)提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機(jī)制。雖然要確保噪聲條件下的觸摸性能非常重要，但占用很多CPU的資源來(lái)運(yùn)行噪聲過(guò)濾算法會(huì)降低刷新率， 進(jìn)而提高功耗。通過(guò)采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標(biāo)刷新率和功耗，同時(shí)提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術(shù)就是一個(gè) 典范，能將現(xiàn)有的SNR提升到3倍高。

觸摸傳感器的掃描頻率會(huì)對(duì)噪聲環(huán)境下的觸摸性能產(chǎn)生很大影響。如果噪聲頻率接近掃描面板的頻率，就可能造成觸摸數(shù)據(jù)損壞。在此情況下，我們可通過(guò)自適應(yīng)跳 頻技術(shù)來(lái)將掃描頻率更改到噪聲幅度足夠低的水平，避免數(shù)據(jù)損壞。但是，跳頻的效果有限，取決于可選的發(fā)射頻率范圍以及存在噪聲的頻率范圍。一些充電器會(huì)在 整個(gè)頻率范圍內(nèi)釋放大量噪聲，因而難以找到無(wú)干擾的區(qū)域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時(shí)諧波幅度則較低。我們可在 300kHz到500kHz范圍內(nèi)采用高頻掃描來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠(yuǎn)離LCD噪聲頻率 范圍的情況下改進(jìn)顯示屏的抗噪性。

雖然提高SNR的技術(shù)很多，但如果噪聲確實(shí)非常高，高到完全飽和觸摸屏控 制器的接收通道，那么上述改進(jìn)并不能避免觸摸數(shù)據(jù)損壞。信號(hào)處理需要依靠輸出線性結(jié)果的模擬前端。如果受噪聲源耦合到大量電荷的影響，輸出持續(xù)鎖定為最大 值，那么觸摸屏可能根本就無(wú)法使用。要解決這個(gè)問(wèn)題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應(yīng)對(duì)更大量的電荷。這通常會(huì)增加額外的芯片面積，也就是說(shuō)電容更 大。解決這個(gè)問(wèn)題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號(hào)，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會(huì)將信號(hào)與手指本身分離。

顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問(wèn)題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實(shí)是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來(lái)提高信噪比，盡可能避免噪聲。說(shuō)到底，消費(fèi)者希望設(shè)備的觸摸性能保持一致，不會(huì)因連接充電器或靠近噪聲較大的熒光燈而影響性能。隨著噪聲難題的不斷變化，觸摸屏控制器也將持續(xù)發(fā)展，確保提供始終一致的性能。

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