智能手机中的电容式接近感应技术

描述

红外（IR）接近传感器目前广泛用于智能手机中，以防止在通话过程中用户的面部意外触摸触摸屏，同时降低功耗。红外传感器具有检测距离远、响应速度快等优点，但其昂贵的成本和复杂苛刻的组装要求促使手机制造商寻求成本更低、结构简单的解决方案。电容式接近感应在白色家电、智能家居等领域的普及，为手机接近感应解决方案提供了有效的思路。

一、系统结构

电容式接近感应系统的结构如图1所示。控制器通过电极检测物体接近手机引起的电容变化。一旦电容变化超过控制器程序中设置的阈值，控制器就会向手机处理器发送中断信号。如果此时手机处于通话模式，主机会关闭LCD、触摸屏等部件，以实现降低功耗、避免误触等功能。

图 1 电容式接近传感器的系统结构

 

电极负责检测电容的变化，其设计质量在很大程度上决定了系统的整体性能。电极本质上是一个扁平导体，可以是FPC上的一片铜片，也可以是电容式触摸屏上的ITO薄膜。

图 2 显示了 ITO 薄膜电极的设计示例。电极的大小直接影响接近传感器的检测距离。在其他设计不变的情况下，检测距离随着电极尺寸的增加而增加。电极的形状应尽可能光滑，避免直角或锐角，电极应尽可能完整。

在手机应用中，电极通常是矩形的，以最大化感应区域。这时需要注意弧形电极的拐角处。电极应放置在FPC或ITO薄膜靠近触摸屏的一侧，背面的另一侧通常需要腾出。手机前盖对应电极背面的区域应避免大面积金属，否则会影响检测范围。

需要在电极周围铺设地线，以增强电容基准，屏蔽噪声，提高感应方向的线性度。电极与地线之间的距离建议为0.5mm至1mm。地线的宽度视具体情况而定，建议不小于1mm。从电极到芯片的引线应尽可能短和细，以减少寄生电容和耦合噪声。

图2 ITO薄膜电极设计

 

另一个影响系统性能的主要因素是控制器。我们选择了赛普拉斯的可编程 CapSense 控制器 CY8C20055，它采用了新的 Quitezone 技术。Quitezone 技术提供无与伦比的抗辐射和传导噪声能力，并具有超低功耗，非常适合用于手机等移动终端。

该技术还实现了业界最佳的信噪比 (SNR)。在高噪声环境中，赛普拉斯的专利 CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus 算法可用于检测适合接近感应的低至 0.1pF 的电容变化。此外，CY8C20055采用SmartSense自动调优技术，可以实时动态补偿运行环境的变化，从而保证性能的稳定性和通道间的一致性。

2.硬件电路

最初设计的电容式接近感应电路图如图3所示。CY8C20055的外围电路非常简单，最小配置只需要2个电容——调制电容C1和去耦电容C2。

图 3. 电容式接近感应电路图

 

在该电路中，芯片的 PIN 3 连接到电极以收集电容信号。建议在芯片附近串联一个典型值为560欧的电阻来抑制射频噪声。手机等移动产品需要通过严格的ESD测试。

由于电极位于手机上部，非常靠近手机边缘、听筒、耳机插孔等（图2），而且电极面积比较大，ESD电弧很容易通过这些开口或缝隙进入手机后与电极耦合，对芯片引脚造成较大的电击，有损坏引脚的风险。

本设计在靠近芯片的一侧增加了TVS等ESD保护元件，对芯片进行保护。需要注意的是，所选TVS器件的自电容不能太大。CY8C20055 提供 I2C 或 SPI 接口与主机通信。在本设计中，主机可以通过I2C总线配置传感参数、获取数据、关闭或唤醒芯片等，还可以进行芯片程序（固件）的在线升级。

在 PCB 或 FPC 布局中，调制电容和去耦电容需要尽可能靠近芯片引脚。布线时，重要的是要避免与 I2C 信号线和电源线平行的电极引线。如果无法避免，应在走线中间加一根地线作为隔离。