電容式接近感應技術(shù)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(lái)防止通話(huà)時(shí)用戶(hù)臉部造成的觸摸屏誤觸，同時(shí)降低功耗。IR傳感器具有探測距離遠，反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其昂貴的成本和復雜苛刻的裝配要求，促使手機廠(chǎng)商尋求成本更低、結構簡(jiǎn)單的方案。電容式接近感應在白色家電、智能家居等領(lǐng)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，給出了具體的系統結構、硬件設計和控制要點(diǎn)。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 系統結構

電容式接近傳感系統的結構如圖1所示?？刂破魍ㄟ^(guò)電極檢測物體靠近手機時(shí)引起的電容值變化，一旦電容值變化超過(guò)控制器程序中設定的閾值，控制器便會(huì )向手機處理器發(fā)出中斷信號， 如果此時(shí)手機正處于通話(huà)模式，主機將關(guān)閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實(shí)現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(shí)，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(lái)最大化感應面積，此時(shí)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域應當避免有大面積的金屬，否則會(huì )影響探測距離。電極周邊需要鋪設地線(xiàn)來(lái)增強電容基準，屏蔽噪聲，并且提高感應方向的直線(xiàn)性。電極和地線(xiàn)的間距建議為0.5mm到1mm， 地線(xiàn)的寬度根據具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線(xiàn)應該盡量短且細，以減少寄生電容和耦合噪聲。

影響系統性能的另一個(gè)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(shù)的可編程CapSense控制器CY8C20055。 Quitezone技術(shù)提供了無(wú)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(dòng)終端中使用。該技術(shù)還實(shí)現了業(yè)界最佳的信噪比(SNR)，在高噪聲的環(huán)境中也可以通過(guò)Cypress已獲專(zhuān)利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法實(shí)現低至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(dòng)調教技術(shù)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補償運行時(shí)的環(huán)境變化，從而保證性能的穩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(jiǎn)單，最小配置只需要2個(gè)電容 — 調制電容C1和去耦電容C2。

在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來(lái)采集電容信號，推薦在連線(xiàn)靠近芯片處串聯(lián)一個(gè)典型值為560歐姆的電阻，來(lái)抑制RF噪聲。手機等移動(dòng)產(chǎn)品都需要通過(guò)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(tīng)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(guò)這些開(kāi)孔或者縫隙進(jìn)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(fēng)險。本設計在靠近芯片一側添加了TVS之類(lèi)的ESD防護元件來(lái)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(jìn)行通訊。本設計中，主機可以通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)配置感應參數、獲取數據、關(guān)閉或喚醒芯片等等，也可以進(jìn)行芯片程序(Firmware)的在線(xiàn)升級。

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