降低电容式触控感应应用功耗的一些最佳方案包括：

　　♦ 利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容(CP)
　　♦ 使用睡眠模式并优化传感器报告率
　　♦ 根据手指触控事件改变报告率
　　♦ 使用优先级规则将控制器从睡眠模式中唤醒

　　利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容(CP)

　　电容式触控传感器一般由铜质垫片、电容式感应控制器输入引脚以及线迹构成。图1显示了典型电容式传感器的结构，并标有电场耦合线。　　 

 

　　当手指接触到传感器导体片的覆盖层时，就会形成一个简单的平行板形电容器，称为手指电容(CF)。即使手指没有接触覆盖层，电容感应控制器也会测量到一些寄生电容(CP)。CP为传感器上的总分布电容，其中包括传感器导体片电容，这是由于传感器导体片与电路地电位(circuit ground)、连接电容式感应控制器输入引脚和传感器导体片的线迹、过孔、电容式感应控制器输入引脚这四部分比较接近而产生的。

　　电容式感应控制器利用模数转换器(ADC)将输入引脚处测得的电容转换为计数值。该控制器使用DSP算法持续监控计数值，以识别因手指触摸而引起的传感器电容增加情况。

　　为了精确检测手指触摸，必须对模数转换器的分辨率进行调节以保持一定的灵敏度。如果CP很高，那么模数转换器的分辨率就要相应增加。增加的分辨率会导致转换时间延长，从而增大电容感应应用的平均功耗。为了降低功耗，需要降低传感器的CP以便可以使用更低分辨率的模数转换器以及睡眠模式。

　　CP的主要组成部分是线迹电容和传感器电容。CP与传感器导体片和地电位间的环状间隙、线迹与地电位的距离、线迹长度与宽度以及传感器导体片直径成非线性函数关系。CP 与PCB(印刷电路板)布局特性之间并不存在简单的对应关系，但是一般来说，增加环状间隙和减少线迹长度与宽度都会降低CP。 遗憾的是，加宽传感器导体片与地电位之间的间隙会降低抗干扰性能。要想获得最佳的CP 和抗干扰性能，需要遵循电容式感应控制器制造商的最佳PCB布局方案。

　　使用睡眠模式和优化传感器报告率

　　报告率和睡眠模式共同决定了对电容式触控传感器进行的采样方式(如图2所示)。报告率明确规定了模数转换器对传感器进行采样的频率。当对传感器进行采样时，电容式感应控制器处于活动模式。而当控制器未对传感器进行采样时，就会进入睡眠模式。控制器在睡眠模式下会断开所有内部模块和外部设备的电源。市场上的大多数电容式感应控制器都支持这种模式。　　 

 

　　选择较低的报告率和更长的睡眠时间是降低平均功耗的关键。报告率和睡眠模式直接影响电容式感应控制器的平均电流消耗，如方程式1所示。　

       其中：

　　I活动 = 控制器对传感器进行采样时所消耗的电流

　　T活动 = 控制器对所有传感器采样所需的时间

　　I睡眠= 控制器处于睡眠模式时所消耗的电流

　　T睡眠= 控制器处于睡眠模式所持续的时间

　　一般来说，人的手指触摸按钮的时间不可能短于150ms。典型的模数转换时间介于200至6000us。 这意味着在传感器被触摸的150ms时间内可以进行数次模数转换。应根据您的具体模数转换时间来优化报告率。

　　降低CP有助于缩短活动时间(T活动)，因为控制器可以使用较低的模数转换器分辨率。选用具有较低工作电流的电容式感应控制器可以降低I活动。记住，睡眠模式电流对平均电流的影响最小。

　　根据手指触控事件改变报告率

　　在选择报告率时应考虑用户与设备的互动方式。消费类电子产品可能每次开机后数小时内手指都不会触摸用户界面。例如，音响系统或电视遥控器上的按钮只有在一些像调节音量或更换频道等情况下，才偶尔会使用到。但是，一旦按下某个按钮，用户就有可能需要触摸多个按钮来达到预期的效果。

　　根据这个实例，可降低对传感器的采样频率(低报告率模式)，直到检测到有按钮被触摸，这时再调高报告率(高报告率模式)以便对后续触摸进行快速响应(如图3所示)。如果在一段时间内未检测到手指触摸，电容式感应控制器就可以恢复到低报告率模式。可以根据触控事件，使用可编程电容式感应控制器来动态改变报告率。　　 

　　为了进一步降低功耗，可在控制器处于低报告率模式下时将用户界面的背光灯关闭。一旦检测到有触摸， 在控制器进入高报告率模式时会再次打开背光灯。

　　利用优先规则将控制器从睡眠模式中唤醒

　　在有些应用中，所有按钮都不能将电容式感应控制器从睡眠模式中唤醒。

　　例如，当电视机关闭后，控制器只需检测电源按钮上的手指触控以便打开电视。在这个应用中，当关闭电源时，控制器只需对电源按钮进行采样，而无需对电视机前面板上的任何其它按钮进行采样。这样可以缩短T活动，并显著降低平均功耗。

　　让我们来了解一下典型的电视机前面板情况：

　　♦ 八个电容式触控感应按钮
　　♦ 采样时间 = 500uS/按钮
　　♦ I活动 = 4mA
　　♦ T活动 = 10ms
　　♦ I睡眠 = 1uA
　　♦ T睡眠 = 90ms.

　　根据方程式1，当对所有按钮采样时：

　　I平均 = 160uA

　　当只有对电源按钮采样时：

　　I平均 = 20uA

　　在本文的第二部分，我将探讨优化电容式触控感应设计平均功耗的其他方法，例如：

　　♦ 使用联动电容式传感器法将控制器从睡眠模式中唤醒
　　♦ 使用接近传感器将控制器从睡眠模式中唤醒
　　♦ 使用外部稳压器关闭电源
　　♦ 选用针对电容式感应控制器的低功耗选项

 

       采用电容式感应技术的用户界面已被广泛接受，常用于代替原有的机械开关和按钮。此外，也被用于电池供电的手持和便携式电子设备中。便携式和手持电子设备要求较长的电池使用寿命且必须持续注重绿色环保技术，电容式用户界面向这些领域进军进一步突显低功耗应用的重要性。

　　本系列文章将介绍有助于构建低功耗电容式用户界面面板的多种技巧与方法。本文的第一部分，即《优化电容式触控应用的平均功耗：第1部分》探讨了以下4种方法：

　　1. 利用最佳电路板布局方式优化传感器寄生电容(CP)

　　2. 使用睡眠模式并优化电容式感应控制器的报告率

　　3. 根据手指触控事件优化报告率

　　4. 使用优先级规则将电容式控制器从睡眠模式中唤醒

　　本部分将重点介绍下面三种功耗优化技术：

　　5. 使用联动电容式传感器模型将电容式控制器从待机模式中唤醒

　　6. 使用接近传感器将电容式控制器从待机模式中唤醒

　　7. 使用外部稳压器关闭用户界面单元的电源

　　5. 使用联动电容式传感器模型将电容式控制器从待机模式中唤醒

　　只有在使用一个或少数几个特定传感器将系统从待机模式中唤醒时，优先级规则(第一部分中讨论的第4种方法)才起作用。对于其他大多数情况，任何传感器被激活，系统都会被唤醒。一般来说，能够唤醒系统的按钮数量越多，系统平均功耗就越大。

　　联动传感器采样技术可用于解决这一问题，而且不会增加平均功耗。在系统待机模式下使用这种方法时， 所有可以唤醒系统的物理传感器都被连接到一起，在设计中组成了一个单一的虚拟联动传感器。只扫描联动传感器所消耗时间比扫描所有传感器所消耗的时间短;因此，电容式控制器可以更长时间的处于睡眠模式，从而降低了平均功耗(详细内容请参考本系列文章第一部分中的方法2)。

　　如果任何一个物理传感器被触摸，联动传感器的电容就会增加，同时可检测到这一触摸事件。然而，当感应到联动传感器有触摸时，却无法确定具体哪个按钮在待机模式下被触摸。

　　为了检测到在待机模式下被触摸的按钮，电容式控制器此时应该被唤醒并进入活动模式。需要将物理传感器从联动传感器断开，并对其进行逐个扫描以确认被触摸的传感器。

　　这种方式能够将多个物理传感器整合到单个虚拟联动传感器中，利用联动传感器来确保电容式控制器仅在检测到触控事件时才恢复到活动模式，从而有助于优化平均功耗。如果电容式控制器进入活动模式后，在一段时间内未在用户界面面板上检测到手指触摸活动，那么电容式控制器就会恢复到联动传感器模式。

　　使用这种方式的系统平均电流消耗与使用优先级规则唤醒方式的平均电流消耗量相当，但使用这种方式，系统在任何按钮被触摸时都能被唤醒。

　　可编程电容式控制器，例如赛普拉斯的CapSense和CapSensePLUS控制器有助于将多个传感器动态连接到一起，组成一个联动传感器，可用于优化平均功耗。

　　6. 使用接近传感器将电容式控制器从待机模式中唤醒

　　这种方式与联动传感器模式比较类似，但使用的是电容式接近传感器而不是虚拟联动传感器。

　　电容式接近传感器是PCB板上的一个铜质线迹环或者是连接到电容式感应控制器的导线环。这种电容式接近传感器在手接近但还没有实际碰到传感器时就可以检测到手的存在。

       与以前讨论的所有其他方法都不同，这种方法不需要任何物理接触就能唤醒系统，而以前的方法都需要实际触摸到传感器才行。电容式接近传感器被集成到用户界面面板，这样当用户手部接近用户界面面板时就可以唤醒系统。下图1对这种方式进行了简单说明。　　 

　　在待机模式下只扫描接近传感器，这样能减少总体扫描时间，从而降低平均功耗。当用户手部接近用户界面面板时，接近传感器就会检测到手的存在并唤醒电容式控制器。一旦从待机模式唤醒，电容式控制器就会进入活动模式并扫描所有按钮传感器以便检测是否有触摸。

　　这种方法带来的一个好处就是可以利用接近传感器控制用户界面面板上的背光照明。只要电容式控制器处于待机模式，背光灯就会关闭以表明设备处于非活动状态。一旦用户的手部接近面板，并且接近传感器检测到这一动作，背光灯就会打开以辅助用户准确触摸按钮。这样还有助于降低终端系统的总功耗。该方法被称为唤醒方案。

　　7. 使用外部稳压器关闭用户界面单元的电源

　　这种方法与上面讨论过的方法有很大不同。这种方式下，由主机控制器来控制系统的平均功耗。

　　由电池供电的应用(例如手机)需要在待机模式下实现极低的功耗。系统内可能还包括多个其他需要低功耗模式的单元，例如红外线接收器和环境光传感器。

　　在这些应用中，主机控制器负责控制一个外部稳压器或电源管理集成电路(PMIC)，通过外部稳压器或PMIC来控制和调整电容式控制器及其他设备的电源。下图2给出了典型的实施方框图。　　 

　　主机控制器在待机模式下关闭电容式控制器及其他设备的电源，这样可实现最低的待机模式功耗，并为电池供电的应用带来更长的电池使用寿命。

　　本系列文章的第二部分到此结束。其他用于优化电容式感应设计平均功耗的方法，尤其是采用高级电容式控制器的方法将在下一部分中加以介绍。