本應用筆記描述并比較了智能手機鍵盤中常用的兩種按鍵掃描方法。它顯示了在低EMI方法中無需使用EMI濾波器的好處。還估算了與ESD保護二極管相關的容性負載余量。

介紹

智能手機的大腦是內置微處理器和專用信號處理電路的基帶（BB）控制器。根據BB控制器的復雜性，通常有通用輸入/輸出（GPIO）引腳可用于按鍵開關實現。

最近，專用鑰匙開關控制器芯片已用于許多智能手機。手機中使用專用的按鍵開關控制器芯片，有時是因為沒有足夠的GPIO引腳可用。當為功能手機設計的BB控制器用于智能手機以避免系統基礎設施重新開發成本時，通常會發生這種情況。在其他時候，它用于最小化BB控制器和鍵盤之間的電線。對于 BB 控制器和鍵盤位于不同 PCB 或機箱上的滑出式鍵盤尤其如此。按鍵開關控制器通常通過I2C或SPI?接口連接到BB控制器。

專用開關控制器可以使用現成的GPIO芯片或使用傳統按鍵掃描方法的小型微控制器來實現。一些專用的專用按鍵開關控制器芯片也使用傳統的按鍵掃描方法。本文比較了傳統和低EMI鍵掃描方法，以顯示無需使用EMI濾波器的額外好處。

傳統的按鍵掃描方法

圖 1 顯示了傳統密鑰掃描方法的一般方法。此方法既適用于 BB 控制器的“GPIO 引腳”實現，也適用于某些專用按鍵開關控制器。一些GPIO引腳用作列輸出端口來驅動開關矩陣;其他 GPIO 引腳用作行輸入端口，以檢測開關的接觸。通常沒有電壓施加到任何鑰匙開關上，而它們沒有被觸摸。按下某個鍵后，按鍵控制器將開始掃描所有按鍵。掃描是通過一次升高一個柱電壓來進行的，同時檢查每行的輸入電平，一次檢查一個。8 x 8 開關矩陣可在 64 個時鐘周期內掃描。時鐘頻率范圍從幾十kHz到幾MHz。 在按鍵掃描期間，列輸出電平在邏輯低電平和高電平之間擺動。電壓可在 1.8V 至 3.3V 之間變化，具體取決于按鍵控制器的電源。

圖1.傳統的按鍵掃描方法。

由于這些色譜柱掃描信號的突然上升和下降，相應的電磁輻射會影響EMI測試的鑒定，特別是當長接線從BB控制器的GPIO引腳延伸到鍵盤時。這些色譜柱端口通常需要EMI濾波器，以最大程度地減少電磁輻射的影響。EMI濾波器可以是一階RC或二階CRC低通濾波器（圖2a和2b）。EMI濾波器可以使用分立式無源元件實現，也可以采用小型TDFN或CSP封裝。EMI濾波器的使用增加了元件成本并占用了電路板空間。

圖 2a 和 2b. EMI 濾波器配置。

低EMI（無源掃描）方法

Maxim的按鍵開關控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360，均采用獨特的無源掃描技術。該技術使用電流源驅動開關矩陣，并檢測傳遞電流以檢測開關觸點。圖 3 描述了這種被動密鑰掃描方法的一般配置。按下某個鍵后，按鍵控制器將開始掃描所有按鍵。掃描是通過向所有列輸出施加端口輸出電壓約為0.5V的恒流源來進行的，同時檢測電流通過一次打開一行的行。對于這種被動掃描技術，8 x 8開關矩陣也可以在64個時鐘周期內掃描，因為一次檢測一列恒定電流的流動。在按鍵掃描期間，所有列電壓均靜態為0.5V，但按下按鍵的列電壓在相應行端口的掃描時隙期間降低接近0V。

圖3.Maxim的低EMI密鑰掃描方法。

每個柱端口由一個約20μA的恒流源驅動。此電流量僅通過開關在很短的時間內進行接觸的列和行端口。因此，與電壓擺幅驅動容性和阻性負載的傳統方法相比，這種被動掃描方法的功耗要低得多。

電磁輻射 （EMI） 比較

對于1.8V電源，0.5V的電壓擺幅而不是整個電源軌本身可以減少11dB以上的電磁輻射。低EMI方法的低頻率擺動也有助于降低電磁發射水平。圖4顯示了傳統和低EMI密鑰掃描方法的仿真功率譜密度（PSD）水平。測試假設時鐘頻率為1MHz，電源電壓為1.8V，上升/下降時間為0.2μs。藍色曲線代表傳統方法，綠色曲線表示Maxim被動掃描方法。仿真結果表明，Maxim的低EMI方法的PSD電平降低了15dB?？傊?，低EMI方法產生的電磁輻射比傳統方法低約15dB。通過如此顯著地降低電磁輻射，可以避免使用EMI濾波器。

圖4.模擬按鍵掃描 PSD 級別。藍色曲線代表傳統方法，綠色曲線表示Maxim被動掃描方法。

波形示例

圖5中的深藍色跡線（通道1）表示列端口，淺藍色跡線（通道2）顯示MAX7359按鍵開關控制器的行端口電壓?？缭竭@些列和行端口的鍵在大約 26 毫秒時按下。按鍵控制器以 ~2ms 的延遲喚醒。它向列端口施加電流源，產生約0.5V的電壓，并開始掃描。它會在選定的去抖動時間掃描兩次，然后再決定某個鍵是否仍被按下或已釋放。對于一對相鄰的掃描脈沖，右側是原始掃描，左側是輔助去抖掃描。

圖5.模擬按鍵掃描 PSD 級別。通道1顯示MAX7359的列端口，通道2顯示行端口電壓。

ESD 保護和電容負載余量

連接到鍵盤的端口暴露在靜電放電（ESD）中，需要保護，有時高達15kV。MAX7347、MAX7348、MAX7349和MAX7359的內置ESD保護分別為±2kV和±8kV（MAX7360）。外部ESD二極管通常與內置保護一起使用，以提供足夠的保護。ESD保護二極管為這些連接的端口增加了容性負載。

通過獨特的“按鍵”和“按鍵釋放”代碼，可以識別多個同時按鍵及其序列。但是，容性負載在所涉及的列和行端口上成倍增加。每個列端口由一個 20μA ±30% 的恒流源驅動。通過在排端口輸出晶體管的柵極施加正脈沖，將每個行端口拉至地。當列端口通過鑰匙開關的關閉被拉到地上時，當行端口處于地面時，檢測到按鍵操作。

當正脈沖施加到行端口輸出晶體管的柵極時，不久之后，開關的閉合點處有一個放電和充電過程。正脈沖之后，開關的閉合點從0.5V快速放電至零。正脈沖消失后，開關的閉合點充電至0.5V，公式如下：

在應用電路中，列端口和行端口的電容（包括來自連接的ESD保護二極管的電容）都參與充電過程。當充電時間長于掃描周期時，可能會發生“按鍵按下”的錯誤檢測。錯誤檢測到的鍵可以是其行掃描跟隨同一列上的按下的鍵的鍵。

為了將充電時間限制在13μs以下，同時為電路提供約2.625μs的“按鍵”檢測，并考慮30%的恒流源容差，根據以下公式，總電容應小于364pF：

每個端口的電容（包括來自連接的ESD保護二極管的電容）應小于C港口= C總/3 = 121pF，假設按下兩個鍵，一個 shift 鍵和一個常規鍵。在上面的計算中考慮了兩個行端口和一個列端口的電容。端口電容為20pF時，允許的外部電容為101pF。

僅當按下的鍵共享同一列端口時，上述方法才適用。通過在多次按鍵操作（例如 shift 鍵）中將經常按下的鍵重新分配到單獨的列端口，其中僅考慮來自一個列端口和一個行端口的電容，也可以避免電容過大的問題。對于在每個列端口情況下按下一個鍵，每個端口允許的電容可以釋放到C港口= C總/2 = 182pF。當端口電容為20pF時，由此產生的外部電容將為162pF。

結論

對智能手機使用專用的低EMI按鍵開關控制器的優點進行了研究。與傳統方法相比，數據表明可以避免使用EMI濾波器。相反，使用低EMI鍵開關控制器器件可以改善整體系統設計并降低成本。這里估計的容性負載余量對于大多數手機鍵盤硬件來說是合理的。但是，應避免使用具有重容性負載的ESD器件。

審核編輯：郭婷