电磁辐射 - 智能手机键盘控制器的一种实现方法

电磁辐射

1.8V供电时，用0.5V电压摆幅替代满幅度(1.8V)驱动，可有效降低电磁辐射(降低11dB)。此外，低EMI键盘扫描架构中更低的扫描频率也能帮助降低电磁辐射水平。图4是传统方案和低EMI方案的功率频谱密度(PSD)仿真图。测试基于1MHz时钟频率，供电电压1.8V，上升/下降时间0.2µs，蓝色曲线代表传统方案，绿色曲线代表低EMI方案。仿真结果表明，Maxim低EMI方案的PSD降低15dB。总之，低EMI方案的电磁辐射相比较传统方式下降15dB。鉴于如此优异的辐射指标，可以省去EMI滤波器。

 

图4. 键盘扫描PSD仿真，蓝色曲线代表传统方案，绿色曲线代表Maxim的无源扫描方案。

波形示例

图5是MAX7359键盘控制器的波形，深蓝色波形(通道1)为“列”端口波形，淡蓝色波形(通道2)为“行”端口波形。该“行”和“列”交叉的那个按键在大约第26ms时候按下。经过约2ms的延时，键盘控制器被唤醒。控制器将“列”端口变成电流源，电压变为大约0.5V，并开始扫描。在确认一个按键依然被按下或者按键被释放前，它会按设定的去抖时间扫描2次。每对临近的扫描脉冲，右边为初始扫描，左边是第二次的去抖扫描。

 

图5. 通道1代表MAX7359“列”端口电压，通道2代表MAX7359“行”端口电压。

ESD保护和电容负载

连接到键盘的所有端口都暴露在ESD之下，有时需要达到15KV，因此需要静电保护。MAX7347、MAX7348和MAX7359内置±2kV ESD保护，MAX7360内置±8kV ESD保护。外部ESD二极管用来配合内部保护电路，共同提升防静电等级。但ESD二极管增加了端口容性负载。

通过用互不相同的“按键按下”和“按键释放”编码，控制器可以识别同时发生的多个“按键按下”事件以及他们的顺序。但是，在相应的“行”“列”端口，容性负载会成倍增加。每个“列”端口由一个20µA、±30%的电流源驱动。施加在“行”端口输出晶体管栅极的正脉冲，将每“行”端口下拉到地。当“行”端口处在地电位时，某“列”端口因为按键闭合而连通，也被下拉到地，由此检测到一个按键按下的动作。

正脉冲施加在“行”端口输出晶体管栅极，并在稍后在开关的闭合点会有一个放电和充电过程。紧随正脉冲之后，开关闭合点快速从0.5V放电到0。当正脉冲消失，开关闭合点又被充电到0.5V，基于下面公式：

这里C是开关闭合点的总电容。对一个pF级电容，需要经过 的时间达到0.5V。扫描周期大约为。

实际应用电路中，“行”、“列”端口电容，包括外加的ESD保护二极管，都参与到充电过程。充电时间长于扫描周期时，有可能发生错误的“按键按下”检测。被误检的按键是当前这个被按下的“列”与紧随的下一个“行”扫描交叉的那个按键。

为了限制充电时间少于13µs同时预留2.625µs进行按键检测，并考虑电流源30%的误差，根据下式，总电容应该小于364pF：

每个端口的电容，包括外置ESD二极管引入的电容，应该少于C_port = C_total/3 = 121pF，假设有两个按键，shift和一个常用键被按下。上面的计算考虑了2行和1列端口的电容。当端口电容为20pF时，允许外置电容是101pF。

上述计算方法只适用于被按下的按键属于同一“列”的情况。对于经常会同时按下键，如shift键，可以通过将其定义在独立的“行”、“列”端口来避免端口叠加过多电容的问题。对于每“列”端口单独按下的按键，端口允许的电容是：C_port = C_total/2 = 182pF。每个端口的电容是20pF，因此，外部器件的电容可以达到162pF。

结论

低EMI键盘控制器方案已经在智能手机应用中普遍得到认可，相比传统的键盘扫描方案，可以省去EMI滤波器。使用低EMI开关控制器能提升系统的整体性能并降低成本。负载电容的估算也适用于绝大多数手机硬件的键盘电路。但要避免使用负载电容很大的ESD外围器件。