将电容式感应与LED照明相结合（3）

作者: Vairamuthu Ramasamy和Shruti Hanumanthaiah，赛普拉斯半导体

我们在第二部分中介绍了PWM（脉冲宽度调制）的不用实现方法。在第三部分中，我们将探讨设计具有电容式感应和LED照明的系统时所遇到的常见挑战，以及应对方法。

布局设计

本节我们将讨论在设计具有电容式传感器和开关线路（例如LED、通信）的系统时所需遵循的重要布局设计规则。开关迹线与电容式传感器迹线并行布置会使感应系统的开关噪声结合在一起。由于我们试图以毫微微法拉级（fF）的分辨率测量电容，因此感应模块对串扰噪声就会很敏感。只要传感器迹线具有固定参考（例如并行的地线），感应系统就会具有恒定电容，但是，开关迹线会在接地与高阻抗或VDD间快速切换，从而改变参考值，进而导致电容变化。因此，在布线时应遵循的方法是决不能让开关迹线与感应迹线并行放置。图1给出了推荐的布局布线图。


图1：推荐的布线图

我们应该可以并行布置多条传感器迹线以防止进一步增加布线复杂性。让我们看一看并行布置两条传感器线路时会出现的问题。假设当扫描一条线路时，另一条线路为浮动状态。那么触摸浮动线路将导致与另一条线路间的电容变化。解决这个问题的办法是将所有未被扫描的传感器引脚接地。之所以能这样做是因为控制器通常具有可多路复用传感器引脚的电容式传感模块。但是，如果器件支持对多条线路同时扫描，那么需要同时扫描的引脚不应并行布线。例如，赛普拉斯的PsoC器件 支持双通道同时扫描。

设计原理图时将开关引脚与感应引脚的隔离（见图2）有助于在布局过程中避免并行布线。我们注意到在固件实现方案中可为PWM驱动选择任意引脚，这种优势能实现更方便的引脚分配。


图2：传感器与开关线路的隔离引脚分配

考虑到电子系统正变得越来越复杂，可能不一定总能完全避免并行布线。这种情况下可以采用一个电容器来降低LED线路的转换率，进而减少串扰，如图3所示。电容器的取值通常是0.1μF。


图3：串扰解决方案

驱动电流强度

务必要选择可满足应用中电流驱动要求的控制器，以减少BOM成本。端口引脚通常具有较高的吸入电流能力和较低的输出电流能力。应把需要高电流的LED连接在吸入结构中。这些引脚的驱动模式应该能够在开漏模式下进行配置。这样，写入0可将引脚驱动到高阻抗状态，从而关闭LED；写入1可将引脚驱动至低阻抗状态，从而打开LED。当与电容式感应相结合时，电流的吸入可能产生一个不良效果，会限制器件所能吸入的最大电流。我们将在第4部分具体介绍这个问题。

如果LED连接在多路复用结构中，那么输出能力就比较重要。需要更高驱动电流的应用必须使用外部MOSFET开关来驱动LED。

负载瞬变噪声

可以执行电容式感应并驱动LED的SoC属于混合信号IC，具有模拟和数字模块。模拟和数字电路必须尽可能地进行分离，以防止数字噪声降低电容式感应系统的性能。常见的挑战在于，当在吸入模式下连接LED的输出引脚并在逻辑高电平与逻辑低电平之间切换时，感应系统会拾取接地噪声。

为减少引脚数量，有些混合信号IC将芯片的模拟接地导体片和数字接地导体片共同连接到封装的共用接地引脚上。该接合线电阻通常是几十毫欧姆。图4给出了这种引脚分配方式。


图4：地端结合原理图

现在考虑LED被配置为吸入模式的情况。输出引脚将LED电流吸入到IC地端，同时驱动至低阻抗并打开LED。吸入的电流因接线的电阻产生IR压降，并改变相对于电路板地端的IC接地电势。尽管偏移量仅为几毫伏，但感应系统非常敏感，它需要在fF精度范围内测量电容。这对接地偏移比较敏感的感应方法来说是个问题。

当多个输出引脚同时吸入电流时，这个问题会变严重。这会导致相当于一个手指触摸的传感器原始计数有高偏移量，从而引起误触发。图5给出了由LED切换引起的原始计数偏移。


图5：LED电流吸入引起的原始计数偏移

克服这个问题的一些常见技术包括：

1. 如果IC的模拟和数字接地接出到不同的引脚，应使它们分开，并在电源端将它们短路。

2. 依照正确的布局原则减小电路板接地与IC接地之间的电阻，以减小寄生的IR压降。

3. 减小连接LED的输出引脚上的吸入电流，以减小寄生的IR压降。

4. 在原理图设计过程中一定要进行引脚分配，以便将LED分配给远离IC接地引脚的引脚，并将传感器分配给距接地引脚最近的引脚。这样就能把寄生的IR压降降到最小。

在这个部分中，我们探讨了如何应对具有电容式感应和LED照明的系统的常见设计挑战。在第4部分，我们将介绍针对此类应用的低功耗设计考虑因素。