電容式接近感應(yīng)技術(shù)在智能手機中的新型應(yīng)用(一)

　　紅外（IR）接近傳感器目前被廣泛的應(yīng)用于智能手機中來防止通話時用戶臉部造成的觸摸屏誤觸，同時降低功耗。IR傳感器具有探測距離遠(yuǎn)，反映速度快等優(yōu)點，但是其昂貴的成本和復(fù)雜苛刻的裝配要求，促使手機廠商尋求成本更低、結(jié)構(gòu)簡單的方案。電容式接近感應(yīng)在白色家電、智能家居等領(lǐng)域的普及，為手機接近感應(yīng)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(yīng)方案，給出了具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和控制要點。此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到知名品牌的手機產(chǎn)品中，取得了很好的效果。

　　一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　電容式接近傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破魍ㄟ^電極檢測物體靠近手機時引起的電容值變化，一旦電容值變化超過控制器程序中設(shè)定的閾值，控制器便會向手機處理器發(fā)出中斷信號， 如果此時手機正處于通話模式，主機將關(guān)閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實現(xiàn)降低功耗和避免誤觸等目的。

　　電極負(fù)責(zé)探測電容變化，其設(shè)計質(zhì)量很大程序上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上就是一塊平面導(dǎo)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(shè)計示例。電極的尺寸直接影響接近感應(yīng)的探測距離。在其他設(shè)計不變時，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(xiàn)直角或者銳角，而且電極要盡量完整。在手機應(yīng)用中，電極通常采用矩形來最大化感應(yīng)面積，此時需要注意圓弧化電極的拐角。電極應(yīng)該放在FPC或者ITO薄膜貼近觸摸屏的一側(cè)，而且背面的另一側(cè)通常需要騰空。電極背面對應(yīng)的手機前殼區(qū)域應(yīng)當(dāng)避免有大面積的金屬，否則會影響探測距離。電極周邊需要鋪設(shè)地線來增強電容基準(zhǔn)，屏蔽噪聲，并且提高感應(yīng)方向的直線性。電極和地線的間距建議為0.5mm到1mm， 地線的寬度根據(jù)具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線應(yīng)該盡量短且細(xì)，以減少寄生電容和耦合噪聲。

　　影響系統(tǒng)性能的另一個主要因素是控制器。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)提供了無與倫比的抗輻射和傳導(dǎo)噪聲的能力，并且具有超低功耗，很適合在手機等移動終端中使用。該技術(shù)還實現(xiàn)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Cypress已獲專利的CapSense Sigma-Delta （CSD） Plus算法實現(xiàn)低至0.1pF的電容變化檢測，非常適合應(yīng)用于接近感應(yīng)。另外，CY8C20055采用SmartSense自動調(diào)教技術(shù)，可以實時動態(tài)補償運行時的環(huán)境變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道之間的一致性。

　　二 硬件電路

　　本文設(shè)計的電容式接近感應(yīng)的電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路很簡單，最小配置只需要2個電容 — 調(diào)制電容C1和去耦電容C2。

　　在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來采集電容信號，推薦在連線靠近芯片處串聯(lián)一個典型值為560歐姆的電阻，來抑制RF噪聲。手機等移動產(chǎn)品都需要通過嚴(yán)格的ESD測試，由于電極的位置在手機上部，距離手機邊緣、聽筒、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)過這些開孔或者縫隙進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(shè)計在靠近芯片一側(cè)添加了TVS之類的ESD防護元件來保護芯片，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接口與主機進行通訊。本設(shè)計中，主機可以通過I2C總線來配置感應(yīng)參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉或喚醒芯片等等，也可以進行芯片程序（Firmware）的在線升級。