[发明专利]一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法

说明书

本发明公开了一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法，包括开关S1、开关S2、开关S3、基准电容C1、充电电压源VT和比较器/AD转换器、电压运算单元、电压跟随放大器、可变电阻单元以及逻辑控制单元，触摸通道上的电容由触摸电容Cx和杂散电容Cp组成；补偿方法为：在启动之前，基准电容初始放电，利用高频切换开关将被侦测电容在充电电压源和基准电容之间切换，利用电荷转移方法所充的电荷转移到基准电容，通过对基准电容电压、充电电压源以及参考电压取信号进行运算得到相应的负电压并进行驱动能力放大，通过可变电阻对基准电容进行电荷泄放并保证其泄放的电荷正好等于该周期内杂散电容所充入的电荷，使得基准电容上只保留触摸电容充入的电荷，当通过比较器或AD转换器判断基准电容电压达到目标参考电压后即停止，通过高频开关切换次数或时间判断触摸电容大小。

技术领域

本发明涉及非电容式触摸按键电路，更具体地，尤其涉及一种电容式触摸按键环境补偿电路和方法。

背景技术

电容式触摸按键是一种常用的非接触式按键，相比于传统的机械按键，具有防水、寿命长、美观、结构简单等优点，被广泛应用于各种电子产品的操作面板上。其实现的基本原理是在产品中设置有一定面积的触摸感应盘，其与产品外壳以及电路板等形成固有的电容Cx，一般大小为5P左右。用户手指头靠近时也会与其形成一定的电容(大约0.2P-1P)，叠加在原来的Cx上，令Cx增大。电容式按键侦测电路则用来检测如此小的电容变化量，从而实现触摸按键的应用。

但现实应用中，除了上述Cx存在外，按键线路在PCB上的走线电容占比很大。在绝大多数产品中，按键数量都不止一个，但一般使用一颗集成电路芯片来处理，出于成本考虑和防止相互干扰，芯片均采用多路开关切换来分时共用一个检测单元。然而，多数产品其按键排列相距甚远，这样令在PCB设计时无论怎么摆放芯片，都会出现按键走线距离的巨大差异。PCB上的按键走线会与相邻线路形成不可忽略的耦合电容Cp，线长和线短其值相差几倍。例如：走线长度超过15cm其与相邻0.6mm间距的地线之间形成的耦合电容高达10p以上，而邻近芯片的按键其走线短可能1p不到。除了PCB上个按键走线电容外，芯片内部各按键通道也有寄生电容5-10p，但一般通道之间其差异不大，在此我们一并将其计入Cp电容内。

现有的电容式触摸按键侦测技术主要有两种：

第一种是采用“RC振荡器”的工作原理制作的触摸按键侦测电路，使用振荡器原理来检测电容的变化，其内部电路结构简单成本低廉。因为Cp以及Cx都非常小，所以对应RC的R阻值需要比较大，同时施密特触发器的输入阻抗接近无穷大，因此外界通过射频感应施加在触摸按键电极上的干扰很容易误触发或延后触发施密特触发器，使得计数结果被干扰。虽然现在大家采用了很多复杂的电路变形以及软件技巧，始终无法根本克服射频干扰问题。因此，该方法一般只用在对可靠性要求不高的廉价产品上，不在本文讨论之列。

另一种比较常用的采用“电荷转移式”原理来实现触摸按键侦测，如图2所示。其主要包括2个高频切换开关SA和SB，1个基准电容C3、1个比较器和计数器等逻辑单元。基准电容C3一般比较大，到达10nF数量级别。逻辑电路通过高频信号驱动开关SA、SB轮流导通，并开始计数。使得电源通过SA对Cp和Cx进行充电，然后(Cx+Cp)通过SB对基准电容C3进行放电。当C3上的电压达到比较器的设定的固定参考值时，停止计数。计数器得到的数值能够直接反应(Cx+Cp)的大小，因此得到侦测电容的目的。此方式中，因为C3电容很大，外界的干扰不会误触发比较器。

其中，我们得到计数值CNT(或对应时间值)来衡量被测电容的大小。根据电路模型，我们知道，CNT与被测总电容(Cx+Cp)成反比，与基准电容C3成正比。假设某2个按键通道Cp差异大导致其总电容相差一倍，那么可以推算出：

1.其读数CNT值会相差一倍，Cp越大的CNT值越小；

2.固定的按键动作引起的电容变化率：ΔC/(Cx+Cp)会相差一倍，Cp越大的其变化率小；