投射电容屏内部噪声的消除方法

要点

1.电容式触摸屏已广泛普及，但它易于因产品的噪声而产生虚假和错误的响应。

2.噪声来源于内部DC/DC转换器子系统和显示驱动器。

3.无论是处理显示屏、充电器、天线或其它来源的噪声，触摸IC都必须做到相同的用户体验水平。

今天的用户都希望采用多点触摸系统做精确操作，并仍能符合日益提高的环保标准。设计者要满足这些要求可不容易。随着多点触摸系统内部环境的快速改变，争夺触摸屏统治地位的大战也正在影响着新战场的出现。

当前的一个趋势是手机做得越来越薄。要实现这一目标，就意味着电容触摸传感器要直接层压在显示屏上，将传感器移入显示屏内，并且要克服很多其它挑战，如天线和地负载。过去只是在传感器结构上放一块屏蔽层以阻挡显示噪声，这种方式已不可接受了，它会增加太多的成本和厚度。

除了显示屏以外，USB充电插头的普及已使电池充电器商品化。今天的电容触摸屏IC可在高达40V峰峰值的AC噪声下，检测出皮库仑级的电容变化。所有这些因素都提升了对触摸屏IC的要求，甚至比去年的要求都复杂得多。需要新的创新，于是开始了噪声大战。

充电器噪声

在有触摸时，充电器噪声会通过电池充电器物理地耦合到传感器上。它的影响包括：降低触摸的精度或线性度，虚假触摸或幽灵触摸，甚至造成一个无响应或不可靠的触摸屏。肇事者通常是一个零售的低价充电器。尽管OEM提供的充电器一般有较严格的噪声规格，但充电电路已广泛采用了USB插头，从而为零售市场创造出了巨大的商机。为在这一市场区段中竞争，零售市场的制造商们正在努力让自己的充电器更便宜。这些低成本的电子产品能够为手机充电，但可能会为触摸屏注入大量噪声，使手机无法使用。

两种常见电池充电器是： 自激式转换器( ringing- choke )和反激式转换器(flyback)。反激式转换充电器通常采用PWM电路;而低成本自振的自激式转换器则采用了一种反激设计的变体(图1)。

图1，反激式转换充电器通常采用PWM电路(a)，而低成本自振荡的自激式充电器则使用反激设计的一种变体(b)。

自激式转换器既没有微控制器也没有电容，缺乏PWM控制，用较低成本的变压器、极少的二极管，以及较小电容值的极化输入电容。这些减免等于为制造商节省了成本，但却给客户带来了一个高噪声系统。有些自激式转换充电器几乎是一个宽带噪声发生器，因为它们几乎在从1kHz~100kHz的范围内辐射高达40V峰峰值的噪声。多数充电器有带许多谐波的循环噪声趋势。一个好的例子是所谓的零等待充电器(zero charger)，其噪声输出为10V~25V峰峰值(图2)。

图2，“零等待充电器”的噪声在0(a)、50(b)和100%(b)负载下并不相同。

该充电器的输出取决于电池自身的状态。为解决这一现象，很多OEM商联手创立了EN(欧规)规范，以管控一只充电器在任何频率上辐射的最大噪声水平。EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1就负责这些噪声水平(图3)。

图3，EN规范规定了充电器在任何频率应辐射的最大噪声水平。
EN 62684-2010和EN 301489-34v1.1.1控制着这些噪声水平。

从1kHz~100kHz，充电器的输出噪声应不大于1V峰峰值，而随着频率的增加，噪声等级会从这一水平呈指数下降。但是，零售市场上的产品都不满足这么严格的规格。因此，现在OEM商希望能用触摸IC应付这么高的噪声。有些规格要求从1kHz~400kHz之间有40V峰峰值，而在50Hz~60Hz区间内有95V峰峰值的抑制能力。所幸，专门算法与方法可以满足这些严格的要求，为电池充电器提供超过95V峰峰值的噪声抑制能力。实现这些水平要采用一些方法，如非线性滤波、跳频以及其它硬件技术。

显示噪声

投射式电容触摸显示屏系统带来了很多挑战，因为它们可以产生大量噪声，并被直接传导给电容触摸屏传感器。更麻烦的是，OEM商们要求自己的手机有越来越薄的工业设计，这意味着要将触摸屏传感器更靠近显示屏，甚至放在显示屏内。多年来，业界一直采用一个保护屏蔽层，防止传感器受到显示屏产生噪声的影响。这种方案虽然有效，但增加了手机成本和厚度。业界亦采用过在显示屏与传感器之间保持一个0.3mm气隙的方案，通过空气的自然特性，消散来自显示屏的噪声。但是，随着手机越来越薄，这两种方案都不适合于今天的设计。

所幸，显示屏辐射的噪声要小于充电器，不过仍然难以处理。当采用传统的TFT(薄膜晶体管)LCD时，可用直流电压或交流电压驱动公共电极。交流公共电极层通常可降低显示驱动器的工作电压，并保持液晶整体的恒定电压。交流共电极层应用于相对低成本的显示屏，功耗较高，噪声特性弱于直流共电极层(图4)。

图4，交流电极层用于相对较低成本的显示屏，功耗较高，噪声也高于直流共电极层。

典型交流共电极显示屏的噪声特性大约在10kHz~30kHz时为500mV~3V峰峰值，而直流共电极显示屏通常较宁静。测量一个显示屏的方法很简单，将一台示波器连接到显示屏顶端的几个铜带上，将地连接到显示屏的电路地，让显示屏工作，就可以捕捉到波形。

AMOLED(有源矩阵有机发光二极管)技术的使用正在手机中普及，因为它有更宽的视角、更明亮的色彩，以及更深的对比度。AMOLED显示屏也较安静，不过这要付出价格的代价(图5)。图中的AMOLED显示屏输出的尖峰为30 mV峰峰值，这是交流共电极显示屏噪声的1%，大大简化了触摸屏的设计。传感器与物理显示屏的整合产生了一种on-cell(像素上)和in-cell(像素内)结构，也简化了这种类型的显示器。不过，AMOLED显示屏要比传统LCD贵得多。