這篇應(yīng)用筆記介紹并比較了兩種智能手機(jī)中常用的按鍵掃描方式。著重介紹了低EMI方案節(jié)省EMI濾波器的優(yōu)勢。最后，對ESD保護(hù)二級(jí)管可引入的最大容性負(fù)載進(jìn)行了估算。

簡介

智能手機(jī)的大腦是基帶處理器(Baseband)，內(nèi)置微型處理器和專用信號(hào)處理電路。依靠基帶控制器的先進(jìn)設(shè)計(jì)，通用輸入/輸出口(GPIO)可用來實(shí)現(xiàn)按鍵開關(guān)功能。

目前，專用鍵盤控制器IC已廣泛用于智能手機(jī)。這些專用鍵盤控制器之所以排上用場，原因在于基帶芯片的GPIO資源非常有限。比如，有時(shí)為了節(jié)約成本，用戶將本來用于功能電話的基帶芯片應(yīng)用到了智能手機(jī)的設(shè)計(jì)；有時(shí)則是為了減少基帶控制器與鍵盤之間的連接線數(shù)量，特別是對于滑蓋手機(jī)，基帶處理器和鍵盤分布在不同的PCB上。鍵盤控制器通常由I2C總線或SPI總線連接到基帶處理器。

鍵盤控制器的功能可用現(xiàn)有的GPIO芯片或使用傳統(tǒng)的按鍵掃描微型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。一些專有的鍵盤控制器也采用傳統(tǒng)的按鍵掃描方式。這篇應(yīng)用筆記則對傳統(tǒng)的按鍵掃描和低EMI按鍵掃描方案進(jìn)行了比較，并列舉了省去EMI濾波器件帶來的益處。

傳統(tǒng)的按鍵掃描方案

圖1所示是傳統(tǒng)的按鍵掃描方案，基帶處理器的GPIO鍵盤控制或某些專用的鍵盤控制器都采取了這個(gè)方式。有些GPIO引腳設(shè)計(jì)成“列”輸出端口，驅(qū)動(dòng)開關(guān)矩陣；有些GPIO引腳設(shè)計(jì)成“行”輸入端口，檢測按鍵開關(guān)的閉合。通常，沒有按鍵按下時(shí)，每個(gè)按鍵上都沒有電壓。一旦某個(gè)按鍵按下，鍵盤控制器開始掃描所有的按鍵。掃描動(dòng)作通過逐漸升高“列”電壓的同時(shí)，來輪詢監(jiān)測每“行”的輸入電平。一個(gè)8 x 8的開關(guān)矩陣可經(jīng)過64個(gè)時(shí)鐘周期完成一遍掃描。時(shí)鐘頻率的范圍可以設(shè)定在幾十kHz到幾MHz之間，“列”輸出電平在系統(tǒng)的邏輯高和邏輯低之間切換。依據(jù)鍵盤控制器的供電電壓，邏輯高電平可以從1.8V到3.3V變化。

圖1. 傳統(tǒng)鍵盤掃描電路。

因?yàn)椤傲小睊呙栊盘?hào)的突然上升和下降造成的電磁輻射可能會(huì)影響EMI測試，尤其是那些基帶處理器GPIO與鍵盤之間有較長布線的設(shè)計(jì)。通常，在“列”輸出端口需要EMI濾波器件來降低EMI輻射。EMI濾波器可以是一級(jí)RC濾波或者二級(jí)CRC低通濾波(見圖2a和2b)。EMI濾波可以使用分立的無源器件，也可使用小尺寸TDFN/CSP封裝的EMI濾波器。這顯然會(huì)增加成本并占用空間。

圖2a和2b. EMI濾波器。

低EMI (無源掃描)

Maxim的鍵盤控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360采用一種獨(dú)特的無源掃描方式，利用電流源驅(qū)動(dòng)開關(guān)矩陣，并通過檢測電流來檢測按鍵動(dòng)作。圖3說明了無源按鍵掃描的工作原理。一旦按下一個(gè)按鍵，控制器便開始掃描所有按鍵。掃描時(shí)，在所有“列”端口施加電壓約為0.5V的恒流源，控制器監(jiān)測流過依次使能的每“行”電流。因?yàn)槊恳粫r(shí)刻只有一“列”檢測到電流流過，所以，對于一個(gè)8 x 8開關(guān)矩陣，這種無源掃描方式也需要經(jīng)過64個(gè)時(shí)鐘周期完成掃描。在按鍵掃描期間，所有“列”電壓都是靜態(tài)的0.5V (有按鍵按下的列除外)，在其對應(yīng)的“行”端口處于掃描期間，該“列”電壓降低到0V。

圖3. Maxim的低EMI鍵盤掃描架構(gòu)。

每“列”端口是由大約20μA的恒流源驅(qū)動(dòng)，“行”、“列”端口只在開關(guān)接觸的很短時(shí)間消耗電流。因此，與傳統(tǒng)掃描方式相比，無源掃描因電壓高、低電平變化驅(qū)動(dòng)容性和阻性負(fù)載產(chǎn)生的功耗大大降低。

電磁輻射

1.8V供電時(shí)，用0.5V電壓擺幅替代滿幅度(1.8V)驅(qū)動(dòng)，可有效降低電磁輻射(降低11dB)。此外，低EMI鍵盤掃描架構(gòu)中更低的掃描頻率也能幫助降低電磁輻射水平。圖4是傳統(tǒng)方案和低EMI方案的功率頻譜密度(PSD)仿真圖。測試基于1MHz時(shí)鐘頻率，供電電壓1.8V，上升/下降時(shí)間0.2μs，藍(lán)色曲線代表傳統(tǒng)方案，綠色曲線代表低EMI方案。仿真結(jié)果表明，Maxim低EMI方案的PSD降低15dB。總之，低EMI方案的電磁輻射相比較傳統(tǒng)方式下降15dB。鑒于如此優(yōu)異的輻射指標(biāo)，可以省去EMI濾波器。

圖4. 鍵盤掃描PSD仿真，藍(lán)色曲線代表傳統(tǒng)方案，綠色曲線代表Maxim的無源掃描方案。

波形示例

圖5是MAX7359鍵盤控制器的波形，深藍(lán)色波形(通道1)為“列”端口波形，淡藍(lán)色波形(通道2)為“行”端口波形。該“行”和“列”交叉的那個(gè)按鍵在大約第26ms時(shí)候按下。經(jīng)過約2ms的延時(shí)，鍵盤控制器被喚醒。控制器將“列”端口變成電流源，電壓變?yōu)榇蠹s0.5V，并開始掃描。在確認(rèn)一個(gè)按鍵依然被按下或者按鍵被釋放前，它會(huì)按設(shè)定的去抖時(shí)間掃描2次。每對臨近的掃描脈沖，右邊為初始掃描，左邊是第二次的去抖掃描。

圖5. 通道1代表MAX7359“列”端口電壓，通道2代表MAX7359“行”端口電壓。

ESD保護(hù)和電容負(fù)載

連接到鍵盤的所有端口都暴露在ESD之下，有時(shí)需要達(dá)到15KV，因此需要靜電保護(hù)。MAX7347、MAX7348和MAX7359內(nèi)置±2kV ESD保護(hù)，MAX7360內(nèi)置±8kV ESD保護(hù)。外部ESD二極管用來配合內(nèi)部保護(hù)電路，共同提升防靜電等級(jí)。但ESD二極管增加了端口容性負(fù)載。

通過用互不相同的“按鍵按下”和“按鍵釋放”編碼，控制器可以識(shí)別同時(shí)發(fā)生的多個(gè)“按鍵按下”事件以及他們的順序。但是，在相應(yīng)的“行”“列”端口，容性負(fù)載會(huì)成倍增加。每個(gè)“列”端口由一個(gè)20μA、±30%的電流源驅(qū)動(dòng)。施加在“行”端口輸出晶體管柵極的正脈沖，將每“行”端口下拉到地。當(dāng)“行”端口處在地電位時(shí)，某“列”端口因?yàn)榘存I閉合而連通，也被下拉到地，由此檢測到一個(gè)按鍵按下的動(dòng)作。

正脈沖施加在“行”端口輸出晶體管柵極，并在稍后在開關(guān)的閉合點(diǎn)會(huì)有一個(gè)放電和充電過程。緊隨正脈沖之后，開關(guān)閉合點(diǎn)快速從0.5V放電到0。當(dāng)正脈沖消失，開關(guān)閉合點(diǎn)又被充電到0.5V，基于下面公式：

這里C是開關(guān)閉合點(diǎn)的總電容。對一個(gè)pF級(jí)電容，需要經(jīng)過

的時(shí)間達(dá)到0.5V。掃描周期大約為

實(shí)際應(yīng)用電路中，“行”、“列”端口電容，包括外加的ESD保護(hù)二極管，都參與到充電過程。充電時(shí)間長于掃描周期時(shí)，有可能發(fā)生錯(cuò)誤的“按鍵按下”檢測。被誤檢的按鍵是當(dāng)前這個(gè)被按下的“列”與緊隨的下一個(gè)“行”掃描交叉的那個(gè)按鍵。

為了限制充電時(shí)間少于13μs同時(shí)預(yù)留2.625μs進(jìn)行按鍵檢測，并考慮電流源30%的誤差，根據(jù)下式，總電容應(yīng)該小于364pF：

每個(gè)端口的電容，包括外置ESD二極管引入的電容，應(yīng)該少于Cport = Ctotal/3 = 121pF，假設(shè)有兩個(gè)按鍵，shift和一個(gè)常用鍵被按下。上面的計(jì)算考慮了2行和1列端口的電容。當(dāng)端口電容為20pF時(shí)，允許外置電容是101pF。

上述計(jì)算方法只適用于被按下的按鍵屬于同一“列”的情況。對于經(jīng)常會(huì)同時(shí)按下鍵，如shift鍵，可以通過將其定義在獨(dú)立的“行”、“列”端口來避免端口疊加過多電容的問題。對于每“列”端口單獨(dú)按下的按鍵，端口允許的電容是：Cport = Ctotal/2 = 182pF。每個(gè)端口的電容是20pF，因此，外部器件的電容可以達(dá)到162pF。

結(jié)論

低EMI鍵盤控制器方案已經(jīng)在智能手機(jī)應(yīng)用中普遍得到認(rèn)可，相比傳統(tǒng)的鍵盤掃描方案，可以省去EMI濾波器。使用低EMI開關(guān)控制器能提升系統(tǒng)的整體性能并降低成本。負(fù)載電容的估算也適用于絕大多數(shù)手機(jī)硬件的鍵盤電路。但要避免使用負(fù)載電容很大的ESD外圍器件。

審核編輯：郭婷