电池供电设备中的电容传感设计考量

作者：Azoteq公司应用工程师 Riaan du Toit

平板电脑和手机等移动设备一般需要接近传感器实施特定吸收率(SAR)查验和近耳(on-ear)检测。电容感测可以满足这两个要求。自电容技术广泛应用于移动设备的接近感应。非常有必要指出：感测电极及其尺寸，并非唯一设计变量。此外，要努力在时刻将品质管控牢记在心的前提下，有效地实现SAR传感器。

电容式接近感应技术概述

电容式感测技术是能通过SAR测试的极少数具有成本效益的技术之一。电容感测技术没有其它传感器技术所有的各种限制。

在需要最佳性能的复杂和紧凑的设计中实现电容式传感器时，注意一些关键要点很重要：

与电池地的关联：所有的传感器测量都是相对于电池地(设备地)的。人体地(充分耦合到大地)和设备地之间的变异会影响性能。下图显示了这些潜在变数。

极度敏感：下图显示的是一个平行板电容器的理论值。当人(无限地平面)接近电容式传感器(充电的电极)时，情况与下图类似。将这种水平的敏感性(每毫米屈指可数几个毫微微法拉的增量)牢记在心，就更容易理解机械不稳定性和典型设备放置为什么也可以触发此种传感器。机械不稳定性是指柔性印刷电路(FPC)微米级水平的运动或设备外壳相对于电池或设备内另一个大的接地结构的位置。


图1：电路元件描述显示了设备地对感测性能的影响。


图2：1mm×20mm小电极与假想体(地平面)在不同间距下的电容估算。

优化电极尺寸

在进行电极设计(大小和位置)时不能将参考地置之度外。这是因为，在电极和参考地之间会形成静电场，其方式与平行板电容器形成的静电场一样。从下图3可见，平行板电容器模型是如何被转换成一个装置的。


图3：(a)是平行板电容器模型可被转换成设备测试的例子；(b) 组合视图，强调这两个效果一起决定触发距离。

如果触发平面(假想体、手等)比电极大，则用于计算触发距离的一个好的经验公式是：

触发距离1≈电极长度(1mm宽度内)

或者

触发距离2≈电极与设备地之间的距离

通常，在这两个距离中，以最短的那个为主。

大多数情况，增大电极宽度会对触发距离产生正面影响。当宽度朝设备地展延，需用上式的触发距离2计算时，则对更大电极会产生效果的预期将不再被满足。该效应如图4所示。


图4：感应盘尺寸和感应盘到设备地距离的影响

优化设备地以实现最佳的传感器性能

设备地和参考地应该被认定是电极排布和设计过程的一部分。

参考地只能被视为是一种可潜在改进对用户/假想体参考(增加容抗)的元素。此效应提高了灵敏度，且可能增加触发距离。当准备进行SAR验证时，建议在更孤立(如图1所示，其中C2很小)的环境下测试设备。

在隔绝情况下，设备地会发挥重要作用。在这种情况，设备地到电极的距离对可能的最大检测距离有直接影响。在电池位置、印刷电路板(PCB)地和机械结构设计固定不变的情况下，电极到这些元件的距离应尽量远，如图4所示。当可自由改变设备地参考区域时，可调整(移动或减小)该参考区域以实现特定的触发距离。

传感器集成电路(IC)的位置

基于下列条件，选择在何处放置传感器集成电路。

在下列条件下，将传感器芯片靠近电极(参照图5)：

*电极必须很小(例如：20mm×1mm)(有时需要多个电极来围绕一个射频发射器件)
*检测距离必须远(检测距离≈电极边沿长度)
*通过金属孔感测
*在拟安放电极的位置附件，有大型金属件

在下列情况下，将传感器芯片远离电极，并在两者间覆接以屏蔽电缆(见图5)：

*检测距离可能较短(检测距离<0.5×电极边沿长度)
*与所需检测距离相比，电极尺寸可能较大
*电极附近无大型金属结构件
*传感器IC可以补偿由屏蔽电缆引入的电容性负载


图5：不同传感器IC布局策略描述。

电容式传感器在测量接近信号电平时，会受到温度变化的影响。一般的建议是将传感器IC安放在隔绝板上，以保护集成电路和敏感线路不受快速温度变化的影响。

电极位置

电极位置是个关键的设计要素。电极放置区域通常预先由射频(RF)天线的布局策略决定。在此区域内安放传感器电极对有效的非迭代设计很重要。设备通常具有纤薄外形，后盖、前屏。

该设备通过了所有角度的最小触发距离的SAR测试。薄边(如图6)通常可作为评判最小触发距离的参照。虽然进行了补偿，电极(电极对地耦合)的电容性负载会减小触发距离，特别是对远距(>20mm)接近触发距离来说。基于此，最好是在电极尺寸(在电极尽可能靠近设备边缘条件下)和对SAR测试来说其它要素间找到最佳的折中办法。图7显示了以不同角度(A、B和C)进行SAR测试的情况，突显了电极位置的重要性。


图6：(a)侧剖视图描述；(b)电极焦点区域描述。


图7：相对于假想体测试角的电极焦点区域。

电极应围绕射频天线以提供一个可实际保护用户的方案。另外，还在部分天线覆盖以假想体、部分天线裸露的情况下，对设备进行了测试，如图8所示。


图8 ：SAR测试表明需要用电极围绕天线