描述

紅外（IR）接近傳感器目前廣泛用于智能手機(jī)中，以防止在通話過程中用戶的面部意外觸摸觸摸屏，同時(shí)降低功耗。紅外傳感器具有檢測距離遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其昂貴的成本和復(fù)雜苛刻的組裝要求促使手機(jī)制造商尋求成本更低、結(jié)構(gòu)簡單的解決方案。電容式接近感應(yīng)在白色家電、智能家居等領(lǐng)域的普及，為手機(jī)接近感應(yīng)解決方案提供了有效的思路。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電容式接近感應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器通過電極檢測物體接近手機(jī)引起的電容變化。一旦電容變化超過控制器程序中設(shè)置的閾值，控制器就會(huì)向手機(jī)處理器發(fā)送中斷信號。如果此時(shí)手機(jī)處于通話模式，主機(jī)會(huì)關(guān)閉LCD、觸摸屏等部件，以實(shí)現(xiàn)降低功耗、避免誤觸等功能。

圖 1 電容式接近傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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電極負(fù)責(zé)檢測電容的變化，其設(shè)計(jì)質(zhì)量在很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上是一個(gè)扁平導(dǎo)體，可以是FPC上的一片銅片，也可以是電容式觸摸屏上的ITO薄膜。

圖 2 顯示了 ITO 薄膜電極的設(shè)計(jì)示例。電極的大小直接影響接近傳感器的檢測距離。在其他設(shè)計(jì)不變的情況下，檢測距離隨著電極尺寸的增加而增加。電極的形狀應(yīng)盡可能光滑，避免直角或銳角，電極應(yīng)盡可能完整。

在手機(jī)應(yīng)用中，電極通常是矩形的，以最大化感應(yīng)區(qū)域。這時(shí)需要注意弧形電極的拐角處。電極應(yīng)放置在FPC或ITO薄膜靠近觸摸屏的一側(cè)，背面的另一側(cè)通常需要騰出。手機(jī)前蓋對應(yīng)電極背面的區(qū)域應(yīng)避免大面積金屬，否則會(huì)影響檢測范圍。

需要在電極周圍鋪設(shè)地線，以增強(qiáng)電容基準(zhǔn)，屏蔽噪聲，提高感應(yīng)方向的線性度。電極與地線之間的距離建議為0.5mm至1mm。地線的寬度視具體情況而定，建議不小于1mm。從電極到芯片的引線應(yīng)盡可能短和細(xì)，以減少寄生電容和耦合噪聲。

圖2 ITO薄膜電極設(shè)計(jì)

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另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的主要因素是控制器。我們選擇了賽普拉斯的可編程 CapSense 控制器 CY8C20055，它采用了新的 Quitezone 技術(shù)。Quitezone 技術(shù)提供無與倫比的抗輻射和傳導(dǎo)噪聲能力，并具有超低功耗，非常適合用于手機(jī)等移動(dòng)終端。

該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的信噪比 (SNR)。在高噪聲環(huán)境中，賽普拉斯的專利 CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus 算法可用于檢測適合接近感應(yīng)的低至 0.1pF 的電容變化。此外，CY8C20055采用SmartSense自動(dòng)調(diào)優(yōu)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償運(yùn)行環(huán)境的變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道間的一致性。

2.硬件電路

最初設(shè)計(jì)的電容式接近感應(yīng)電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路非常簡單，最小配置只需要2個(gè)電容——調(diào)制電容C1和去耦電容C2。

圖 3. 電容式接近感應(yīng)電路圖

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在該電路中，芯片的 PIN 3 連接到電極以收集電容信號。建議在芯片附近串聯(lián)一個(gè)典型值為560歐的電阻來抑制射頻噪聲。手機(jī)等移動(dòng)產(chǎn)品需要通過嚴(yán)格的ESD測試。

由于電極位于手機(jī)上部，非常靠近手機(jī)邊緣、聽筒、耳機(jī)插孔等（圖2），而且電極面積比較大，ESD電弧很容易通過這些開口或縫隙進(jìn)入手機(jī)后與電極耦合，對芯片引腳造成較大的電擊，有損壞引腳的風(fēng)險(xiǎn)。

本設(shè)計(jì)在靠近芯片的一側(cè)增加了TVS等ESD保護(hù)元件，對芯片進(jìn)行保護(hù)。需要注意的是，所選TVS器件的自電容不能太大。CY8C20055 提供 I2C 或 SPI 接口與主機(jī)通信。在本設(shè)計(jì)中，主機(jī)可以通過I2C總線配置傳感參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉或喚醒芯片等，還可以進(jìn)行芯片程序（固件）的在線升級。

在 PCB 或 FPC 布局中，調(diào)制電容和去耦電容需要盡可能靠近芯片引腳。布線時(shí)，重要的是要避免與 I2C 信號線和電源線平行的電極引線。如果無法避免，應(yīng)在走線中間加一根地線作為隔離。