CN216819821U - 一种高速低功耗电容触摸检测电路及芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速低功耗电容触摸检测电路及芯片，电路包括触摸模块和逐次逼近模块，所述触摸模块包括充电电源模块和比较触发模块，所述充电电源模块分别与比较触发模块的输入侧和外部触摸PAD连接，所述比较触发模块的输出侧与逐次逼近模块连接。本实用新型采用逐次逼近的方式进行电容触摸检测，提高了检测速度和检测精度，降低了检测功耗，同时实现了快速多通道及多次检测，可通过配置不同的触摸阈值进行触摸强度检测，还具有触摸滑动检测功能。

Description

一种高速低功耗电容触摸检测电路及芯片

技术领域

本实用新型集成电路技术领域，具体涉及一种高速低功耗电容触摸检测电路及芯片。

背景技术

按键是人机互动最简单、直接、快速的方法。目前常规都使用机械按键，但机械按键存在使用寿命短和速度慢的问题，随着电子技术的发展，技术人员一直在寻找机械按键的替代品。

由于触摸按键具有简洁、精美的优点，使得产品看起来更加时尚，更容易获取当今客户的青睐，因而越来越多的产品采用触摸按键来代替机械按键。而电容式触摸具有反应灵敏、成本低、抗干扰强等优点，且技术越来越成熟，其应用变得非常普遍，广泛应用于手机、电脑周边、家电以及工业控制等设备。

如图1所示的电容触摸PCB图，根据电容的需要在PCB布板时画出适当的触摸PAD面积及周边的包围的地线，湿度触摸PAD与地之间存在一个寄生电容C_p0，当人手指靠近或接触触摸PAD时，会额外增加一个到地的寄生电容C_f0，由于C_f0的电容值较小，C_p0约为C_f0的100倍。为了准确的检测到C_f0，我们需要增加检测电路。常用的检测方法有如下两种方法：

1.时钟振荡式检测：如图2所示，通过电流源I0′给外部电容Cp′充电，当电压充到反相器(INV0)翻转电压Vt时，反相器翻转，经过延时单元后信号给到NMOS管将PAD上的电荷放掉，然后电压低于反相器(INV0)翻转电压Vt时反相器再次翻转，经延时单元后信号关闭NMOS管，继续给外部电容Cp′充电。周而复始，产生方波信号CLK，通过时钟计数器对CLK进行计数，在定时器记满时锁定CLK的时钟个数，经过多次计数锁定得到在没有外部触摸时的时钟值V1。当有手指靠近或接触触摸PAD时，此时外部电容变为(Cp′+Cf′)，由于外部电容变大，使得CLK频率变慢，这样在相同的定时器时间内得到时钟值V2。考虑周边环境变化因素和噪声，我们设定一个阈值Vth1；当(V1-V2>Vth1)时，认定为有触摸按键。

2.电荷搬运式检测：如图3所示，通过PMOS(P0″)给外部电容Cp″充电，给定合适的充电时间使PAD0″充到Vref1电压，此时关闭P0″，随后打开传输门S0″，将Cp″上的电荷往Cv″上搬，给定合适的时间，使得PAD0″与PAD1″两端电压相等，此时关闭传输门S0″，打开P0″给PAD0再次充电到Vref1电压，周而复始，直到比较器(CMP)翻转，此时PAD1″的电压大于Vref2(Vref1>Vref2)，同时锁定搬运计数器结果，经过多次锁定，得到搬运次数值V3；当有手指靠近或接触触摸PAD时，此时外部电容变为(Cp″+Cf″)，由于外部电容变大，使得搬运次数变少，得到搬运次数值V4；同样设定一个阈值Vth2；当(V3-V4>Vth2)时，认定为有触摸按键。

从上述两种电容触摸检测中，由于C_p0约为C_f0的100倍，考虑周边环境变化因素和噪声，此时Vth1和Vth2的值至少要大于5，为了得到稳定触摸值，所以时钟振荡式检测至少要振荡1000个时钟才能得到可靠的触摸结果，同样电荷搬运式检测也需要到达1000次以上搬运次数。这样使得单次检测周期时间较长，会导致以下几个缺点：(1)触摸模块处于工作状态时间较长，在相同的间歇时间里，芯片功耗较高；(2)不利于多通道检测，如果在较多触摸检测按键中，需要多个触摸检测模块，从而增加芯片的成本和功耗；(3)由于触摸产生的差值较小，很难实现多级强度触摸，在现有的触摸条或滑动触摸无法做到细腻效果。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种高速低功耗电容触摸检测电路及芯片，以提高检测速度和检测精度，降低检测功耗。

第一方面，一种高速低功耗电容触摸检测电路，包括触摸模块和逐次逼近模块，所述触摸模块包括充电电源模块和比较触发模块，所述充电电源模块分别与比较触发模块的输入侧和外部触摸PAD连接，所述比较触发模块的输出侧与逐次逼近模块连接。

优选地，所述充电电源模块包括第一电流源、第二电流源、第三电流源以及第四电流源，所述第一电流源输出端并联有第一电容和第一电阻，所述第一电阻串联于第一电流源和第二电流源之间，所述第二电流源输出端并联有第二电容和第二电阻，所述第二电阻串联于第二电流源和第三电流源之间，所述第三电流源输出端连接有第三电容，所述第四电流源输出端连接有第四电容，所述第一电容负极、第二电容负极、第三电容负极以及第四电容负极均接地。

优选地，所述充电电源模块还包括第一NOMS管、第二NOMS管以及第三NOMS管，所述第一NOMS管的漏极与第一电流源输出端连接，第一NOMS管栅极与第二NOMS管栅极和第三NOMS管栅极连接，所述第二NOMS管漏极与第三电流源的输出端连接，所述第三NOMS管漏极与第四电流源的输出端连接，所述第一NOMS管源极、第二NOMS管源极以及第三NOMS管源极均接地。

优选地，所述第一NOMS管、第二NOMS管以及第三NOMS管共用同一个RST复位信号。

优选地，所述比较触发模块包括第一比较器、第二比较器以及DFF触发器，所述第一比较器的同相输入端与第三电流源输出端连接，第一比较器的输出端与DFF触发器的D端连接，所述第二比较器的同相输入端与第四电流源输出端连接，第二比较器的输出端与DFF触发器的CK端连接，所述第一比较器和第二比较器的反相输入端均连接基准电压。

优选地，所述第一电流源的输出电流大小由逐次逼近模块的输出结果决定，所述第二电流源、第三电流源以及第四电流源的输出电流均为设定电流且大小相等。

优选地，所述第一电容为可变电容，所述第一电阻为可变电阻，所述第二电容、第三电容以及第四电容大小相等。

优选地，所述触发模块还包括时序发生器，所述时序发生器与逐次逼近模块连接。

第二方面，一种高速低功耗电容触摸检测芯片，包括第一方面所述的高速低功耗电容触摸检测电路。

本实用新型的有益效果体现在：采用逐次逼近的方式进行电容触摸检测，提高了检测速度和检测精度，降低了检测功耗，同时实现了快速多通道及多次检测，可通过配置不同的触摸阈值进行触摸强度检测，还具有触摸滑动检测功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型背景技术提供的电容触摸PCB图；

图2为本实用新型背景技术提供的时钟振荡式检测电路原理图；

图3为本实用新型背景技术提供的电荷搬运式检测电路原理图；

图4为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的模块框图；

图5为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的电路原理图；

图6为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的时序示意图；

图7为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的第一电流源I1输出电流值；

图8为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的低功耗检测周期示意图；

图9为本实用新型实施例一提供的一种高速低功耗电容触摸检测电路的两个触摸PAD交叉摆放的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一

如图4所示，一种高速低功耗电容触摸检测电路，包括触摸模块和逐次逼近模块，触摸模块包括充电电源模块和比较触发模块，充电电源模块分别与比较触发模块的输入侧和外部触摸PAD连接，比较触发模块的输出侧与逐次逼近模块连接。

如图5所示，充电电源模块包括第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3以及第四电流源I4，第一电流源I1输出端并联有第一电容C1和第一电阻R1，第一电阻R1串联于第一电流源I1和第二电流源I2之间，第二电流源I2输出端并联有第二电容C2和第二电阻R2，第二电阻R2串联于第二电流源I2和第三电流源I3之间，第三电流源I3输出端连接有第三电容C3，第四电流源I4输出端连接有第四电容C4，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4的负极均接地。

其中，第一电流源I1的输出端还与触摸PAD外部电容Cp0～Cpn连接，第一电流源I1主要用于给外部电容Cp0～Cpn充电，其输出电流大小由检测电路进行逐次逼近计算后所得结果决定，第二电流源I2、第三电流源I3以及第四电流源I4的输出电流为设定电流且相等。第一电容C1为可变电容，第一电阻R1为可变电阻，可根据外部环境噪声对第一电容C1和第一电阻R1进行配置，以滤除不同的噪声波段，第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4为检测电路标准电容且相等。

进一步地，充电电源模块还包括第一NOMS管N1、第二NOMS管N2以及第三NOMS管N3，第一NOMS管N1漏极与第一电流源I1输出端连接，第一NOMS管N1栅极与第二NOMS管N2栅极和第三NOMS管N3栅极连接，第二NOMS管N2漏极与第三电流源I3的输出端连接，第三NOMS管N3漏极与第四电流源I4的输出端连接，第一NOMS管N1源极、第二NOMS管N2源极以及第三NOMS管N3源极均接地。其中，第一NOMS管N1、第二NOMS管N2以及第三NOMS管N3共用同一个RST复位信号。

进一步地，比较触发模块包括第一比较器CMP1、第二比较器CMP2以及DFF触发器，第一比较器CMP1的同相输入端与第三电流源I3输出端连接，第一比较器CMP1的输出端与DFF触发器的D端连接，第二比较器CMP2的同相输入端与第四电流源I4输出端连接，第二比较器CMP2的输出端与DFF触发器的CK端连接，第一比较器CMP1和第二比较器CMP2的反相输入端均连接基准电压VREF。触发模块还包括时序发生器，与逐次逼近模块连接，用于产生触发信号。

具体地，电容触摸检测电路在检测过程中，根据第一电流源电流控制位依次进行逐次逼近计算，计算次数由第一电流源的电流控制位宽决定，即从第一电流源电流控制位的最高位开始，直至第一电流源电流控制位的最后一位结束。先通过逐次逼近模块将RST复位信号置1，使第一NOMS管N1、第二NOMS管N2以及第三NOMS管N3均打开，将第一电流源I1、第三电流源I3以及第四电流源I4的充电节点电位清零，即将A、B、C三点的电位清零，此时第一电流源I1所有控制位均为0，第一电流源I1的输出电流为0。

随后通过逐次逼近模块将RST复位信号置0，将第一电流源I1当前控制位配置为1，各电流源充电节点开始充电，即对A、B、C三点进行充电。进行第一次RST复位信号置0时，将第一电流源I1的输出电流配置为1/2满量程，进行第n次RST复位信号置0时，第一电流源I1的输出电流值由前一次逐次逼近计算结果决定。

由于第四电流源I4和第四电容C4为固定值，故第四电流源I4的充电节点A从0充电到基准电压VREF为固定时间，当A点充电电压达到基准电压VREF时，第二比较器CMP2会发生翻转从而输出1，即Bit_clk时钟产生上升沿，输入DFF触发器时钟端。在充电过程中，当第三电流源I3充电节点B的充电速度慢于充电节点A的充电速度时，第二比较器CMP2优先翻转输出1，此时第一比较器CMP1输出0，DFF触发器锁定第一比较器CMP1的输出结果，即此时DFF触发器锁定的数据为0；当第三电流源I3的充电节点B的充电速度快于充电节点A的充电速度时，第一比较器CMP1优先翻转输出1，故第二比较器CMP2翻转输出1时，第一比较器CMP1也输出1，DFF触发器锁定第一比较器CMP1的输出结果，即此时DFF触发器锁定的数据为1。

DFF触发器锁定第一比较器CMP1的输出结果后，逐次逼近模块将DFF触发器锁定的数据配置给第一电流源I1控制的当前位。

随后再从第一电流源控制位的下一位，即次高位开始，重复上述步骤，以此类推，直至第一电流源控制位的最后一位，最后得到完整的第一电流源输出电流值。在检测过程中，假设进行第n-1次(n≥2)逐次逼近计算时，第一电流源I1的输出电流为i_n-1，此时若第一比较器CMP1输出为1，那么在第n次逐次逼近计算时，第一电流源I1输出电流为：

满量程；若第一比较器CMP1输出为0，那么在第n次逐次逼近计算时，第一电流源I1输出电流为：为

满量程。

以第一电流源的电流控制位宽为位16为例，RST复位时序和电流控制位如图6所示，检测电路从第一电流源I1控制位的最高位D_[15]开始，先通过逐次逼近模块将RST复位信号置1，以将A、B、C三点的电位清零，此时第一电流源I1的输出为0。随后通过逐次逼近模块将RST复位信号置0，将第一电流源I1控制位的最高位D_[15]置1，以使第一电流源I1的输出电流为

满量程，对A、B、C三点进行充电，DFF触发器根据充电速度锁定第一比较器CMP1的输出结果，逐次逼近模块把输出结果配置给第一电流源控制位的最高位D_[15]。随后再次将RST复位信号置1，将A、B、C三点的电位再次清零，一段时间后再通过逐次逼近模块将RST复位信号置0，将第一电流源I1电流控制次高位D_[14]置1，若第一次逐次逼近计算时DFF触发器锁定的结果为1，则此时第一电流源I1的输出电流为：

满量程

满量程，即

满量程；若第一次逐次逼近计算时DFF触发器锁定的结果为0，则此时第一电流源I1的输出电流位：

满量程，即

满量程，如图7所示。对A、B、C三点再次进行充电，DFF触发器根据充电速度锁定第一比较器CMP1的输出结果，逐次逼近模块把输出结果配置给第一电流源控制位的次高位D_[14]。

以此类推，第一电流源I1电流控制位逐次置1，再相应锁定DFF的结果，直至第一电流源I1电流控制位的最后一位，如从第一电流源I1电流控制位D_[15]～D_[0]逐次置1，最后得到完整的第一电流源I1输出电流值。

得到第一电流源输出电流值后，可以换算得到外部电容值，计算公式为：

i₁/i₄＝(C_p+C₁)/C₄

式中，i₁为第一电流源电流输出值，i₄为第四电流源电流输出值，C_p为外部电容值，C₁为第一电容值，C₄为第四电容值。

在检测过程中，有人手触摸和没有人手触摸时外部电容值不同。经过多次检测，得到没有人手触摸时外部电容参考值为D_v，设定触摸阈值D_th，当外部电容检测值变为D_f，此时若外部电容检测值与外部电容参考值之间的外部电容差值(D_f-D_v)＞触摸阈值D_th，则表明检测到有手触摸。

本实用新型采用逐次逼近方法，检测电路能快速检测外部电容值，例如当第一电流源I1的电流控制位位宽为16，通过本实用新型提供的检测电路，仅需16次充放电即可完成一次检测。假设第四电流源I4的电流为2uA，第四电容C4的电容值为1pF,基准电压VREF为2V，根据电容充电公式：U＝(I*t)/C可以得到充电时间:

t＝(U*C)/I＝(2V*1pF)/2uA＝1uS

即一次充电时间为1uS，设定RST高电平时间为0.25us，那么完成一次触摸检测所需时间为：

16*(1+0.25)＝20uS

所有单次触摸检测仅需20us就可以完成，检测速度快，用时短。在单次触摸检测仅需20us，假设人体反应时间为0.1s左右，设置检测电路每间隔20ms进行一次触摸检测，如果外部一共有16个触摸通道，将16个触摸通道全部检测所需时间为：

16*20＝320us

此时检测时间仅占间隔周期的

且人体有5次(0.1s/20ms)来确认是否有人手触摸。可见，进行多通道检测时，也具有检测速度快、用时短的优点。

进一步地，高速低功耗电容触摸检测电路采用间歇式检测，可以设置检测周期，如图8所示，整个检测周期分为了工作时间和睡眠时间，在一定时间内没有检测任何操作时，电路进入睡眠状态，等到一个周期完成才进入下一次周期的工作时间进行检测，以实现低功耗检测的功能。例如，假设工作时间检测电路的工作电流为1mA，睡眠时间检测电路的待机功耗为2uA，若周期时间为20ms，结合前面所述的单次检测时间为20us，那么，平均电流为：

Iavg＝[1mA*20uS+(20ms-20us)*2uA]/20ms≈3uA

每增加一个触摸通道，工作时间会增加20uS，此时检测电路仅增加(1mA*20uS)/20ms，即1uA的平均电流。实际应用过程中，可根据应用需求调整睡眠时间和工作时间，以达到最合适的待机功耗，实现低功耗处理。

进一步地，检测电路还可以设定多个不同等级的触摸阈值D_th0，D_th1，D_th2...D_thn，将外部电容检测值D_f与外部电容参考值D_v之间的外部电容差值(D_f-D_v)，与多个触摸阈值进行比较，当外部电容差值(D_f-D_v)落入到某一个触摸阈值范围内，即可判断此次触摸的触摸强度为该触摸阈值范围所对应的等级。

进一步地，当有多个触摸PAD交叉摆放时，还可以根据多个触摸PAD外部电容变化值的比例对多个触摸PAD的相对位置进行区分。例如，如图9所示，两个触摸PAD交叉摆放，在没有手指接触触摸PAD时，检测电路检测出对应的外部电容参考值D_v0和D_v1，当外部电容检测值变为D_f0和D_f1，先根据外部电容差值(D_f-D_v)与触摸阈值D_th检测是否有发生触摸，再根据(D_f0-D_v0)与(D_f1-D_v1)的比例大小来区分所在两个触摸PAD的相对位置，从而实现触摸滑动功能。

实施例二

一种高速低功耗电容触摸检测芯片，包括上述的高速低功耗电容触摸检测电路。

本实用新型实施例所提供的芯片，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

本实用新型采用逐次逼近的方式进行电容触摸检测，提高了检测速度和检测精度，降低了检测功耗，同时实现了快速多通道及多次检测，可通过配置不同的触摸阈值进行触摸强度检测，还具有触摸滑动检测功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，包括触摸模块和逐次逼近模块，所述触摸模块包括充电电源模块和比较触发模块，所述充电电源模块分别与比较触发模块的输入侧和外部触摸PAD连接，所述比较触发模块的输出侧与逐次逼近模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述充电电源模块包括第一电流源、第二电流源、第三电流源以及第四电流源，所述第一电流源输出端并联有第一电容和第一电阻，所述第一电阻串联于第一电流源和第二电流源之间，所述第二电流源输出端并联有第二电容和第二电阻，所述第二电阻串联于第二电流源和第三电流源之间，所述第三电流源输出端连接有第三电容，所述第四电流源输出端连接有第四电容，所述第一电容负极、第二电容负极、第三电容负极以及第四电容负极均接地。

3.根据权利要求2所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述充电电源模块还包括第一NOMS管、第二NOMS管以及第三NOMS管，所述第一NOMS管的漏极与第一电流源输出端连接，第一NOMS管栅极与第二NOMS管栅极和第三NOMS管栅极连接，所述第二NOMS管漏极与第三电流源的输出端连接，所述第三NOMS管漏极与第四电流源的输出端连接，所述第一NOMS管源极、第二NOMS管源极以及第三NOMS管源极均接地。

4.根据权利要求3所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述第一NOMS管、第二NOMS管以及第三NOMS管共用同一个RST复位信号。

5.根据权利要求2所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述比较触发模块包括第一比较器、第二比较器以及DFF触发器，所述第一比较器的同相输入端与第三电流源输出端连接，第一比较器的输出端与DFF触发器的D端连接，所述第二比较器的同相输入端与第四电流源输出端连接，第二比较器的输出端与DFF触发器的CK端连接，所述第一比较器和第二比较器的反相输入端均连接基准电压。

6.根据权利要求2所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述第一电流源的输出电流大小由逐次逼近模块的输出结果决定，所述第二电流源、第三电流源以及第四电流源的输出电流均为设定电流且大小相等。

7.根据权利要求2所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述第一电容为可变电容，所述第一电阻为可变电阻，所述第二电容、第三电容以及第四电容大小相等。

8.根据权利要求2所述的一种高速低功耗电容触摸检测电路，其特征在于，所述触发模块还包括时序发生器，所述时序发生器与逐次逼近模块连接。

9.一种高速低功耗电容触摸检测芯片，其特征在于，包括权利要求1～8中任一权利要求所述的高速低功耗电容触摸检测电路。

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