充電器與共模噪聲

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

USB正作為一種標準的充電接口在移動設備中快速推廣，這也催生了大量低成本的售后選配市場充電器。許多充電器更關注成本問題，而不重視性能，這些充電器采用廉價組件，或者缺乏能協(xié)助降低共模噪聲的特定組件。

設備的電源和接地供電電壓相對于地壓波動，但同時二者之間又保持相同的壓差，就會形成共模噪聲。這種波動僅在接地耦合手指觸摸屏幕時才會影響觸摸屏的性能。手指的電勢與地壓相同，手機電源和接地相對其波動，就會導致噪聲通過手指注入觸摸屏。注入的電荷量主要取決于噪聲的峰值對峰值電壓。

電容越高，意味著注入觸摸屏的噪聲就越大。在這種情況下，電容平行板的一側由手指接觸區(qū)域形成，另一側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，電容也相應成比例增加。不過，由于接收電極由極窄的行或列構成，因此實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)來測試其設備對充電器噪聲的抗擾能力。不過，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。如果只測試7毫米的手指，并不能確保拇指解鎖手機或操控滾動列表這樣的常見案例。事實上，如果我們來分析直徑的不同，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毫米覆蓋透鏡的設備其“d”是1.0毫米覆蓋透 鏡設備的一半，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。隨著設備的外觀形狀向更輕薄的趨勢發(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若干項產品認證，但對于共模噪聲并沒有什么相關的要求。2010年，一批手機OEM廠商就制定通用規(guī)范EN62684達成共識，用以管 理充電器在頻率范圍內可允許的最大峰值對峰值電壓。該規(guī)范要求充電器產生的噪聲不得超過1Vpp(從1kHz到100kHz)，而在100kHz頻率以上 則要求更低的電壓強度。典型的選配市場充電器并不遵循這一指導性要求。

雖然較低噪聲的充電器產生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動范圍則達到20–40Vpp，這就會產生巨量電荷轉移。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 機還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動高清鏈接(MHL)，這是用來從手機向HDTV傳輸音頻視頻的標準接口。手機通過MHL適配器連接到HDTV，該適 配器將手機的USB接口轉換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來源于電視電源，并會通過HDMI和USB線纜傳遞給手機。

解決噪聲問題

由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應于在既定時間內系統(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，首要關注的因素就是信噪比(SNR)。我們可通過以下幾種不同特性來提高信噪比。

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。過去，高電壓發(fā)射對于許多觸摸屏控制器來說都一直是個挑戰(zhàn)，只能通過采用外部高電壓模擬電源(有時這 會大幅增加功耗，而且大多數(shù)消費類手持設備都無法支持)才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關穩(wěn)壓器等。上述兩種方法都會額外增加設備的成 本。而現(xiàn)在，新型觸摸屏控制器能通過內部電荷泵生成片上高電壓發(fā)射。

另一個提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機制。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的資源來運行噪聲過濾算法會降低刷新率， 進而提高功耗。通過采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標刷新率和功耗，同時提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術就是一個 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對噪聲環(huán)境下的觸摸性能產生很大影響。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，我們可通過自適應跳 頻技術來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。一些充電器會在 整個頻率范圍內釋放大量噪聲，因而難以找到無干擾的區(qū)域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時諧波幅度則較低。我們可在 300kHz到500kHz范圍內采用高頻掃描來解決這個問題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠離LCD噪聲頻率 范圍的情況下改進顯示屏的抗噪性。

雖然提高SNR的技術很多，但如果噪聲確實非常高，高到完全飽和觸摸屏控 制器的接收通道，那么上述改進并不能避免觸摸數(shù)據(jù)損壞。信號處理需要依靠輸出線性結果的模擬前端。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法使用。要解決這個問題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應對更大量的電荷。這通常會增加額外的芯片面積，也就是說電容更 大。解決這個問題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會將信號與手指本身分離。

顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問題。為了應對更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來提高信噪比，盡可能避免噪聲。說到底，消費者希望設備的觸摸性能保持一致，不會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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