本應(yīng)用筆記描述并比較了智能手機(jī)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(hù)二極管相關(guān)的容性負(fù)載余量。

介紹

智能手機(jī)的大腦是內(nèi)置微處理器和專用信號(hào)處理電路的基帶（BB）控制器。根據(jù)BB控制器的復(fù)雜性，通常有通用輸入/輸出（GPIO）引腳可用于按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

最近，專用鑰匙開關(guān)控制器芯片已用于許多智能手機(jī)。手機(jī)中使用專用的按鍵開關(guān)控制器芯片，有時(shí)是因?yàn)闆]有足夠的GPIO引腳可用。當(dāng)為功能手機(jī)設(shè)計(jì)的BB控制器用于智能手機(jī)以避免系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施重新開發(fā)成本時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種情況。在其他時(shí)候，它用于最小化BB控制器和鍵盤之間的電線。對(duì)于 BB 控制器和鍵盤位于不同 PCB 或機(jī)箱上的滑出式鍵盤尤其如此。按鍵開關(guān)控制器通常通過I2C或SPI?接口連接到BB控制器。

專用開關(guān)控制器可以使用現(xiàn)成的GPIO芯片或使用傳統(tǒng)按鍵掃描方法的小型微控制器來實(shí)現(xiàn)。一些專用的專用按鍵開關(guān)控制器芯片也使用傳統(tǒng)的按鍵掃描方法。本文比較了傳統(tǒng)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(tǒng)的按鍵掃描方法

圖 1 顯示了傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)，也適用于某些專用按鍵開關(guān)控制器。一些GPIO引腳用作列輸出端口來驅(qū)動(dòng)開關(guān)矩陣;其他 GPIO 引腳用作行輸入端口，以檢測(cè)開關(guān)的接觸。通常沒有電壓施加到任何鑰匙開關(guān)上，而它們沒有被觸摸。按下某個(gè)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(gè)柱電壓來進(jìn)行的，同時(shí)檢查每行的輸入電平，一次檢查一個(gè)。8 x 8 開關(guān)矩陣可在 64 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)掃描。時(shí)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(dòng)。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(tǒng)的按鍵掃描方法。

由于這些色譜柱掃描信號(hào)的突然上升和下降，相應(yīng)的電磁輻射會(huì)影響EMI測(cè)試的鑒定，特別是當(dāng)長(zhǎng)接線從BB控制器的GPIO引腳延伸到鍵盤時(shí)。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(shí)現(xiàn)，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(guān)控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360，均采用獨(dú)特的無源掃描技術(shù)。該技術(shù)使用電流源驅(qū)動(dòng)開關(guān)矩陣，并檢測(cè)傳遞電流以檢測(cè)開關(guān)觸點(diǎn)。圖 3 描述了這種被動(dòng)密鑰掃描方法的一般配置。按下某個(gè)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(jìn)行的，同時(shí)檢測(cè)電流通過一次打開一行的行。對(duì)于這種被動(dòng)掃描技術(shù)，8 x 8開關(guān)矩陣也可以在64個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)掃描，因?yàn)橐淮螜z測(cè)一列恒定電流的流動(dòng)。在按鍵掃描期間，所有列電壓均靜態(tài)為0.5V，但按下按鍵的列電壓在相應(yīng)行端口的掃描時(shí)隙期間降低接近0V。

圖3.Maxim的低EMI密鑰掃描方法。

每個(gè)柱端口由一個(gè)約20μA的恒流源驅(qū)動(dòng)。此電流量?jī)H通過開關(guān)在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行接觸的列和行端口。因此，與電壓擺幅驅(qū)動(dòng)容性和阻性負(fù)載的傳統(tǒng)方法相比，這種被動(dòng)掃描方法的功耗要低得多。

電磁輻射 （EMI） 比較

對(duì)于1.8V電源，0.5V的電壓擺幅而不是整個(gè)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(dòng)也有助于降低電磁發(fā)射水平。圖4顯示了傳統(tǒng)和低EMI密鑰掃描方法的仿真功率譜密度（PSD）水平。測(cè)試假設(shè)時(shí)鐘頻率為1MHz，電源電壓為1.8V，上升/下降時(shí)間為0.2μs。藍(lán)色曲線代表傳統(tǒng)方法，綠色曲線表示Maxim被動(dòng)掃描方法。仿真結(jié)果表明，Maxim的低EMI方法的PSD電平降低了15dB?？傊?，低EMI方法產(chǎn)生的電磁輻射比傳統(tǒng)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(jí)別。藍(lán)色曲線代表傳統(tǒng)方法，綠色曲線表示Maxim被動(dòng)掃描方法。

波形示例

圖5中的深藍(lán)色跡線（通道1）表示列端口，淺藍(lán)色跡線（通道2）顯示MAX7359按鍵開關(guān)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(shí)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(chǎn)生約0.5V的電壓，并開始掃描。它會(huì)在選定的去抖動(dòng)時(shí)間掃描兩次，然后再?zèng)Q定某個(gè)鍵是否仍被按下或已釋放。對(duì)于一對(duì)相鄰的掃描脈沖，右側(cè)是原始掃描，左側(cè)是輔助去抖掃描。

圖5.模擬按鍵掃描 PSD 級(jí)別。通道1顯示MAX7359的列端口，通道2顯示行端口電壓。

ESD 保護(hù)和電容負(fù)載余量

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

通過獨(dú)特的“按鍵”和“按鍵釋放”代碼，可以識(shí)別多個(gè)同時(shí)按鍵及其序列。但是，容性負(fù)載在所涉及的列和行端口上成倍增加。每個(gè)列端口由一個(gè) 20μA ±30% 的恒流源驅(qū)動(dòng)。通過在排端口輸出晶體管的柵極施加正脈沖，將每個(gè)行端口拉至地。當(dāng)列端口通過鑰匙開關(guān)的關(guān)閉被拉到地上時(shí)，當(dāng)行端口處于地面時(shí)，檢測(cè)到按鍵操作。

當(dāng)正脈沖施加到行端口輸出晶體管的柵極時(shí)，不久之后，開關(guān)的閉合點(diǎn)處有一個(gè)放電和充電過程。正脈沖之后，開關(guān)的閉合點(diǎn)從0.5V快速放電至零。正脈沖消失后，開關(guān)的閉合點(diǎn)充電至0.5V，公式如下：

在應(yīng)用電路中，列端口和行端口的電容（包括來自連接的ESD保護(hù)二極管的電容）都參與充電過程。當(dāng)充電時(shí)間長(zhǎng)于掃描周期時(shí)，可能會(huì)發(fā)生“按鍵按下”的錯(cuò)誤檢測(cè)。錯(cuò)誤檢測(cè)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(shí)間限制在13μs以下，同時(shí)為電路提供約2.625μs的“按鍵”檢測(cè)，并考慮30%的恒流源容差，根據(jù)以下公式，總電容應(yīng)小于364pF：

每個(gè)端口的電容（包括來自連接的ESD保護(hù)二極管的電容）應(yīng)小于C港口= C總/3 = 121pF，假設(shè)按下兩個(gè)鍵，一個(gè) shift 鍵和一個(gè)常規(guī)鍵。在上面的計(jì)算中考慮了兩個(gè)行端口和一個(gè)列端口的電容。端口電容為20pF時(shí)，允許的外部電容為101pF。

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

結(jié)論

對(duì)智能手機(jī)使用專用的低EMI按鍵開關(guān)控制器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)據(jù)表明可以避免使用EMI濾波器。相反，使用低EMI鍵開關(guān)控制器器件可以改善整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低成本。這里估計(jì)的容性負(fù)載余量對(duì)于大多數(shù)手機(jī)鍵盤硬件來說是合理的。但是，應(yīng)避免使用具有重容性負(fù)載的ESD器件。

審核編輯：郭婷