浅谈电容式触控应用的平均功耗优化

电容式触控感应技术正在替代众多应用中的机械开关和按钮。许多电池供电的手持和便携式电子设备都已采用了电容式触控感应用户界面。这些设备的功耗限制以及对能效的持续关注都使得低功耗设计成为电容式触控感应应用的关键。

降低电容式触控感应应用功耗的一些最佳方案包括：

• 利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容（CP）

• 使用睡眠模式并优化传感器报告率

• 根据手指触控事件改变报告率

• 使用优先级规则将控制器从睡眠模式中唤醒

利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容（CP）

电容式触控传感器一般由铜质垫片、电容式感应控制器输入引脚以及线迹构成。图1显示了典型电容式传感器的结构，并标有电场耦合线。

 

图1：典型电容式传感器导体片结构

当手指接触到传感器导体片的覆盖层时，就会形成一个简单的平行板形电容器，称为手指电容（CF）。即使手指没有接触覆盖层，电容感应控制器也会测量到一些寄生电容（CP）。CP为传感器上的总分布电容，其中包括传感器导体片电容，这是由于传感器导体片与电路地电位(circuit ground)、连接电容式感应控制器输入引脚和传感器导体片的线迹、过孔、电容式感应控制器输入引脚这四部分比较接近而产生的。

电容式感应控制器利用模数转换器(ADC)将输入引脚处测得的电容转换为计数值。该控制器使用DSP算法持续监控计数值，以识别因手指触摸而引起的传感器电容增加情况。

为了精确检测手指触摸，必须对模数转换器的分辨率进行调节以保持一定的灵敏度。如果CP很高，那么模数转换器的分辨率就要相应增加。增加的分辨率会导致转换时间延长，从而增大电容感应应用的平均功耗。为了降低功耗，需要降低传感器的CP以便可以使用更低分辨率的模数转换器以及睡眠模式。

CP的主要组成部分是线迹电容和传感器电容。CP与传感器导体片和地电位间的环状间隙、线迹与地电位的距离、线迹长度与宽度以及传感器导体片直径成非线性函数关系。CP 与PCB（印刷电路板）布局特性之间并不存在简单的对应关系，但是一般来说，增加环状间隙和减少线迹长度与宽度都会降低CP。 遗憾的是，加宽传感器导体片与地电位之间的间隙会降低抗干扰性能。要想获得最佳的CP 和抗干扰性能，需要遵循电容式感应控制器制造商的最佳PCB布局方案。

赛普拉斯触控系列CY8CMBR3XXX提供五种工作模式：工作模式、查找触摸模式、查找接近感应模式、深度睡眠模式、配置模式。

CY8CMBR3XXX从复位状态进入工作模式，在这种模式下控制器扫描所有的SENSOR，更新sensor数据，并且根据sensor状态驱动配置输出。在初始模式下，工作模式的扫描率设置为20ms以保证快速的触摸响应。如果sensor扫描和处理在20ms内完成处理，控制器会进入睡眠模式。

在工作模式下如果没有触摸检测，CY8CMBR3XXX进入查找触摸模式，查找触摸模式和工作模式类似，前者可以配置扫描时间。默认的扫描时间是120ms。在这种模式下，所有的sensor会被扫描。如果有任何一个sensor状态为ON，输出驱动和控制器进入工作模式。

查找接近感应模式仅仅用于使用了接近感应sensor功能。查找触摸模式下如果有没检测到触摸，控制器会进入查找接近感应模式。

深度睡眠模式使功耗最低的模式。当主控器产生一个睡眠命令时，CY8CMBR3XXX器件进入睡眠模式。在深度睡眠模式下，器件不会扫描任何sensor并且所有输出禁用。器件将会在I2C地址匹配时唤醒。

赛普拉斯的CY8CMBR3XXX系列是被专用于低功耗需要的电池供电应用中。为了达到更低的功耗，从以下几个方面考虑：

尽量减小sensor电容Cp；设置合适的sensor感应灵敏度；必须使用时才开启EMC；增加扫描时间和减少状态超时时间；当不需要扫描sensor时，可以将器件设置进入深度睡眠模式或者关掉器件电源；避免频繁的读写I2C接口；使用接近感应sensor；减少蜂鸣器打开的时间；只在需要使用PWM时在GPO上面开启改功能。