越来越大的挑战及解决方案 - 如何解决电容式触摸屏应用中的噪声问题

　　更轻薄设备带来的挑战

　　现如今，轻薄即时尚。积极推出越来越薄的触摸屏设备，特别是触摸屏手机，面临双重问题：一是从显示屏耦合到传感器的噪声增加；二是传感器的寄生电容提高。

　　显示屏生成的噪声相对于充电器噪声而言强度要低很多，但对触摸性能产生的影响很大，因为其距离触摸传感器很近。虽然AMOLED显示屏很安静（但比LCD更昂贵），但如今市场上大多数还都是噪声更高的ACVCOM和DCVCOM型LCD显示屏。这种显示屏的常用电极VCOM层就是噪声的来源。让我们回过头来再讨论一下方程式（1），这次是要确定平行板电容器在触摸传感器中指定接收电极和显示屏VCOM层之间所产生的电容的大小。这里，面积“A”就是接收电极的全部面积，由于显示屏覆盖整个屏幕，因此距离“d”就是接收电极和VCOM层之间的距离。

　　此前，触摸屏设备采用气隙或屏蔽层来保护触摸传感器不受显示屏噪声耦合至接收电极的影响。不过，这些解决方案会增加厚度和成本（4英寸显示屏的屏蔽层增加了多达1.00美元的成本）。现在，随着设备变得越来越薄，气隙和屏蔽层都被取消，而且触摸传感器采用光学透明胶（OCA）直接连接至显示屏。这就导致传感器的接收电极更靠近噪声较高的VCOM层，从而就会缩短“d”、增加电容，并耦合更多噪声。由于OCA（电介质常量 为3）取代气隙（电介质常量 为1），因此电容会进一步提升。轻薄式产品的下一个发展趋势就是触摸传感器的部分或全部都需要集成在显示屏中，也就是所谓的in-cell（内嵌式触控）、On-cell（外挂式触控）。这样的显示屏集成协议栈会让传感器的接收电极更接近显示屏的VCOM层，从而耦合更多噪声。

　　外形更轻薄产品发展的第二个问题就是触摸传感器的寄生电容（CP）增加。为了想办法让整体协议栈变得更薄，ITO基板层（由玻璃或PET制成）需要越来越薄。这就缩短了传感器发射和接收电极之间的距离，从而增加了电容。CP升高在扫描触摸面板时就需要更长时间的充电和放电，这就减小了扫描面板的最大频率。这样做的问题在于，我们希望扫描频率更高，因为较高频段的噪声通常较小。此外，扫描时间延长也意味着功耗增加和刷新率下降。

　　解决噪声问题

　　由于噪声源众多，因此触摸屏控制器需要适应于在既定时间内系统中存在的不同噪声大小和类型。要确保具有最高稳健性的抗噪性，首要关注的因素就是信噪比（SNR）。我们可通过以下几种不同特性来提高信噪比。

　　提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的发射电压来扫描触摸屏的传感器。原始SNR与发射电压成正比，因而越大越好。过去，高电压发射对于许多触摸屏控制器来说都一直是个挑战，只能通过采用外部高电压模拟电源（有时这会大幅增加功耗，而且大多数消费类手持设备都无法支持）才能支持，或者需采用较大且昂贵的外部组件，如开关稳压器等。上述两种方法都会额外增加设备的成本。而现在，新型触摸屏控制器能通过内部电荷泵生成片上高电压发射。

　　另一个提高SNR的方法就是采用专门的硬件加速机制。虽然要确保噪声条件下的触摸性能非常重要，但占用很多CPU的资源来运行噪声过滤算法会降低刷新率，进而提高功耗。通过采用可与CPU并行工作的专有硬件就能保持目标刷新率和功耗，同时提高噪声条件下的信噪比，而赛普拉斯的Tx-Boost技术就是一个典范，能将现有的SNR提升到3倍高。

　　触摸传感器的扫描频率会对噪声环境下的触摸性能产生很大影响。如果噪声频率接近扫描面板的频率，就可能造成触摸数据损坏。在此情况下，我们可通过自适应跳频技术来将扫描频率更改到噪声幅度足够低的水平，避免数据损坏。但是，跳频的效果有限，取决于可选的发射频率范围以及存在噪声的频率范围。一些充电器会在整个频率范围内释放大量噪声，因而难以找到无干扰的区域。较大充电器噪声的基本频率为1kHz到300kHz，频率较高时谐波幅度则较低。我们可在300kHz到500kHz范围内采用高频扫描来解决这个问题，从而彻底避免最高幅度噪声频带和最初的一些谐波。另外，这种方法也能在远离LCD噪声频率范围的情况下改进显示屏的抗噪性。

　　虽然提高SNR的技术很多，但如果噪声确实非常高，高到完全饱和触摸屏控制器的接收通道，那么上述改进并不能避免触摸数据损坏。信号处理需要依靠输出线性结果的模拟前端。如果受噪声源耦合到大量电荷的影响，输出持续锁定为最大值，那么触摸屏可能根本就无法使用。要解决这个问题，我们可提高接收通道的范围，使其能够应对更大量的电荷。这通常会增加额外的芯片面积，也就是说电容更大。解决这个问题的另一种方法是在接收通道前拆分原始信号，从而降低噪声，但我们也必须注意，这也会将信号与手指本身分离。

　　显示屏和充电器噪声并不是什么新问题，但噪声较高的充电器和较薄的显示屏确实是触摸屏控制器提高抗噪能力必须要面临的问题。为了应对更高幅度的噪声，今天的控制器采用一系列组合特性来提高信噪比，尽可能避免噪声。说到底，消费者希望设备的触摸性能保持一致，不会因连接充电器或靠近噪声较大的荧光灯而影响性能。随着噪声难题的不断变化，触摸屏控制器也将持续发展，确保提供始终一致的性能。