噪声抗扰度和EMC挑战简介以及CapTlvate外设功能，具有抗噪能力

各位大家好，我是TI台湾的MCU FE 我叫Luke Chen 今天主要跟各位讲 电容式触控的一些noise immunity 还有一些遇到的emp的挑战 我想来参加这课程的大部分人都是做软件的 那么noise的部分 可能与hurry design有关 那我们今天为什么要去讨论有关emp 应题设计noise的一些挑战呢 就是说电容式触控 它本身，尤其当你机构特别小 如果说你今天做的是一个耳塞式的一个耳机 那你想要去做一个电容式触控 那当人体有去触摸或者没有触摸的时候 你的电容量变化可能非常小 可能是皮克法拉等级的 这时候如果你的系统设计上面 是有一个noise的烦扰的话 那么对你系统整个电容式触控的准确性跟稳定性 就会产生很大的影响 所以今天我们必须要去了解 emp的noise它大概的层形是怎么回事 cap tlvate的硬件里面的一些peripheral的features 怎么协助我们去把这些noise给滤除 我们知道emc最主要的 它其实是包含了emi跟ems 那emi的部分 emi的部分就是 辐射干扰 辐射干扰本身就是你的电子装置 你通了电之后 你的电路设计产生了noise 辐射到外面来去影响到其他的电子装置 这个是emi 那ems的部分 主要是在讲你本身的电子的设计 你自己的系统设计 对于外来干扰的抗受力 今天要提的emc 的一些noise干扰主要是两个方向 第一个就是你要去降低你容易受到外来 noise干扰的程度 第二个当然你自身的系统 对外的一些辐射也必须要去降低 业界比较常去量测这些标准的程序 我们大家都知道就是iec61000这个部分 那iec61000呢 它会针对你不同的装置、不同的应用 然后你可能用在不同的使用点 例如说你今天是在家用的 电子，或者说你是在工厂用 它会有不同的规范 以电子设计上来讲 这两个点就是说减低你容易受干扰的程度 跟减低你辐射到外面去影响别人的这两个点 在不同的设计上面 作业点是不一样的 例如说你今天是做power设计 那你今天做power设计的 你可能会比较在意的是 要减低你自己的辐射去影响到别人 那如果今天以电容式触控来讲 我们会比较在意的是我们尽量的 要去减低容易受到外界干扰的一个程度 一般我们会看到的一些测试标准 大概就是这三个 这是esd的部分 还有eft的部分 跟cni的部分 那esd是规范在iec61000-4-2 这个东西我想大家都知道它是一个打静电的测试 有可能会打到4KV或者是8KV 最主要的静电的测试就是 带电物体去摸到一个金属材质 导致物体在瞬间放电所产生的效应 例如说今天冬天，天气特别干燥 那你今天穿了一个毛衣 身上带着电荷，那你去摸到一个金属的水龙头 或者是金属的手把 那瞬间产生一个放电 esd的部分有一个点比较值得提的就是说 我们有一些客户 他在整个系统板子上面 对于mcu或者对于其他的device 他可能需要做一些软件版本的区别 所以他会习惯在软件mcu的表层 去贴一个贴纸 那个贴纸可能就是表示软件的版本 版本号，方便他们将来维修或打开之后 可以立刻做一个判别 可是呢，以quality King的建立来讲 其实我们不应该在ic的表面去黏贴贴纸 为什么呢 因为你的贴纸需要去把它撕掉的时候 那个贴纸撕掉的一瞬间 它可能产生800V—1KμV的瞬间静电 有可能就会造成你IC元件的一个破坏 所以当我们客户有一些fa的需求 那需要往后送去做分析的时候 我们就会要求客户 当然东西一定要用静电袋去包 然后你可能你的标识就标在静电袋外面 千万不要在ic表面去黏贴贴纸 主要是这个原因 第二个eft就是电压的瞬间变化 大致的变化 它是规范在iec61000-4-4这一个部分 eft最主要是提到说今天你的系统 你可能是差110的试电 或220的试电 那跟你用同样试电，差在同样来源的部分 的一些电器 比如说风扇或马达 尤其是一些电感性的load 它在转换或者变化的瞬间 它可能产生对于 电源的来源产生很大的一个noise 那个noise有可能透过电源线 直接进来到你的系统 这个部分也会造成系统的干扰 另外一个部分就是cni 就是传导性的noise 传导性的noise 通常可能就是外界的一个辐射 可能从你外界的一个table table线很长 那你table线很长 在一个辐射场比较大的地方 它就形成等同一个天线 可能聚集到一些noise 然后引到你的系统来，对你的系统造成影响 这几个包括esd 包括eft、包括cni这一部分 的noise 有可能造成你的系统，可能就是说你的电容式的 侦测不动作 或者甚至完全没有办法动作 对于你人体的接触完全没有办法侦测 那或者造成你的这一个device 不可预期的产生一个reset 又或者 它的一个瞬间的noise太高 一进来之后造成你的device、你的ic 里面有可能一些demo区就乱掉 软件就乱掉了 造成可能变成一个无穷回圈 那完全失去了功效 甚至最差的 可能让你的元件直接被破坏掉 所以这一个部分是我们必须要去考虑的 这一个页面主要我们要探讨的是 整个emc或整个noise干扰的必要条件 我直接把它整个页面展开 最主要整个系统受到干扰 它有几个必要条件 第一个，它一定有一个受害者 就是系统本身，一个受害者 第二个，它一定有一个加害者 就是产生杂讯元的加害者 那么noise的一个产生者 它不外乎就是瞬间产生了一个电压的剧烈变化 或者是电流的剧烈变化 然后加害者跟被害者中间 它一定有一个媒介 不管你今天可能是一个导线 或者甚至一个空气当介质 它必须要有一个传播媒介 那么加害者才可以把这个noise干扰到 被害者 另外的部分就是说加害者它所产生的noise的一个频率 那个频率刚好破过这个传输媒介 它必须要影响到受害者 工作的一个频率 这样子才能有效的、真正去影响到受害者 例如说 你的系统跑在工作顶点 然后noise产生出来刚好是一个simga 只能透过一个table进来 那它的不可预期的noise可能就对你产生了一个影响 就是这个概念 再来就是加害者本身所产生的的noise要够大 然后才足以透过媒介 去影响到受害者 也就是说加害者 它比较强大的部分刚好打到受害者比较畏惧的部分 这样就产生了一个noise的问题 这个页面主要是 跟大家说明就是一般整个系统 在没有noise的情况下 它整个电流的flow大概是怎么回事 就是说一个电容式触控 我们可以看到绿色的线代表一个 整个工作电容式触控 它充电的一个情形 橘色线代表的是一个放电的路径 必须要注意到的，值得注意的点是 当我们人体，或一个金属 去接近那一个我们的sensing pad的时候呢 其实它等同于对整个系统 多加产生了一个充电跟放电的路径 也就是因为这样子 它会对sensor pad的电容量产生一个变化 然后我们的capacitive的mcu才有办法去侦测到 它整个电容量变化 这个页面承袭上页 就是因为人体的接触 其实是会对整个系统产生的一个充放电路径 当有一个noise进来的时候 刚刚我们提的是没有noise的情况 现在如果说noise进来了之后 你的人体的一个接近 去接触到或者是接触到这一个touch bed 当那个电容的那个pad的话 它一样是对noise产生了一个效应出来 就等同多了一条路径 让你的系统会去耦合到noise 这个页面主要是说明这样子的一个问题 那我们后面会有一些实际量测的图形 来说明说你的系统在没有人体接近的时候 跟人体有去触摸captouch的时候 它所产生的noise会不一样的 这个部分大概是说明一下 没有noise跟有noise的情况 我们所去抓取的count会是什么情况 上面的部分是互电容的部分 互电容的部分就像刚刚cs所提的 互电容的部分因为人体有接近的时候 其实它的电容量是下降的 所以它的count数会网上升 那我们可以看到正常的时候 它是400个count 当你人体有去接触的时候 它提升到500个count 这是在没有noise的情况 它这次测试是用3Vrms的传导性的noise 来做一个测试 当有这样一个noise进来的时候 你可以看到右边的图形 它的波形很乱 如果说你用其他的方式 不管你怎么abg，你可能可以取出一些点 你取出一些点呢，也有可能它会是误判的一个情况 底下的部分是自电容的部分 自电容的部分是直接对地做一个count侦测 当你人体接近的时候 它的电容量是变大的 它的电容量变大 就意味着它对于mcu内部的大电容充电 放电的一个次数 它count会减少 所以在底下的自电容部分 你看它平常是维持在600个count 当有人接近去触摸到那个pad的时候 它降下来在500个count 右边的部分是一样 用3Vrms的传导性noise 去干扰到整个系统的时候 它的波形会长这个样子 它这是一个示意图 让大家知道有noise跟没有noise的时候 你遇到一些干扰的时候 你的挑战会是长什么样子 从这边其实大概可以看得出来 自电容的部分其实比互电容的部分 比较不容易受干扰 从它被干扰的一个程度大概可以看得出来 要去解决这个emc的一些noise干扰问题 TI的capacitivemcu呢 它周边的一些feature 提供了这样的一个能力 第一个就是以积分为base的一个电荷转移 这部分的话早上应该是有提过的 就是你外部不管今天是自电容或是互电容 然提来接近你的时候 你的电容量可能变大或变小 对于里面的一个参考电容 直接对里面做放电 以这样子的技术说 我是放电到几次可以让内部的一个电容 电容值得电荷大于你参考的一个vref 通过那个比较器，产生一个有被触摸的一个判读 另外的第二个部分 就是说不同的电路设计 不同的走线 不同的PCB大小 你可能产生的寄生电容不一样 那么你寄生电容不可能完全克服 在TI的内部 mcu的内部 它是由一个寄生电容的off sit 你可以直接把它给减掉 然后来提升你整个电容侦测的准确度 另外第三个的部分 更是特殊的部分 就是它里面的振荡器有一个硬件可以做的 frequency hopping 也就是说 例如说你今天在工厂端没有马达在运作 在特定的一个频点 如果说它刚好那个频点跟你的mcu 去做那些电容式的做一些扫描的频点 刚好是一致的时候 那你的整个电容侦测的准确度是完全打乱掉 TI内部的一个做法 它是用一个frequency hopping的技术 它不止去扫一个点，它是去扫四个频点 右下方的示意图 绿色、粉红色、蓝色跟黄色 这四个频点 就是示意图 带边说TI你可以去enable这样的方选 同时去扫描四个频点 第二个部分就是粉红色的部分是示意说 如果说今天干扰源 noise是产生在这样子的一个频点之下 那你这四个频点 你有三个频点是可以被运作的 所以还是可以做到一个准确性的侦测 可能有人会问说 万一你这四个频点 我的noise这四个频点都把你干扰到了怎么办 答案就是如果这四个频点都被干扰到了 那也没办法了，你系统设计上可能要好好捋一捋 有人又会问 这四个频点大概是 什么样的频点 它的frequency hopping四个频点 它的频率是十六MHz 跟14.7MHz 还有13.1 还有另外一个，我如果没记错应该是11.3 这是它的基频 你也可以把这四个频点再做一个除频的动作 各处以2的样子 另外一个部分 就是一般的mcu 可能从外部 不管你今天是经过power进来 或者是ldo进来 产生的一个3.3V供应给mcu 那mcu就开始动作 那如果说 有noise从3.3V被灌进来之后 那你的系统这个3.3V就是有noise 所以你里面所有的，可能包括ADC 所有的analog、block全部其实都被干扰到的 以capacity来讲 它的电容式侦测的所有的量测的block 它自己内建的ldo 就是说你3.3V进来之后 还会经过一个ldo 它才供应给所有内部的analog的部分 然后来降低noise从power进来的一个干扰 那我们知道ldo一般来讲对一些report 它其实是有一些抑制能力的 例如说它minimum是六十dv 那六十dv的话可能对于report它可能 压抑下来就是1000倍 所以内部有一个ldo来对power做一个更干净的处理 然后来达成用这个四个filter 希望配合外部的硬件工程师的一些layout 还有一些filter的设计 可以达到一个有效的电容式触控的设计 这个页面的示意图 就是刚刚我们提到frequency hopping用四个频点 去避掉一些noise的干扰 这个图片，是一个示意图 上方的图各位可以看到 即使黑色线 400个count部分的黑色线 上面标lta lta其实就是long term average的缩写 什么是long term average呢 就是说你的系统设计完了 你通电了之后 你的某一个pad 在都没有人去触碰它的时候 它会有一个基本的电容值 那个电容值的count就是400个count 一直放着不去动它 就维持在400个count 我们就叫做long term average 所以以这样的一个示意图 它就是在一个400的count 蓝色线的部分 蓝色线的示意图就是当你有人体触摸的时候 经过TI内部周边的一些filter filter完之后的count 会是接近500个count 代表说有人来接近，有人去触摸这个pad 那以软件来讲 你要去判读这一个pad有没有被触摸 有一个地方你要去设定 以这一个图来讲，threshold大概设定在440左右 所以当有人体去接近那个pad的时候 你那个蓝色线就超越了 这一个440左右 以软件来件，它就是 可以判读说它是有被触摸到 所以你这个threshold 会根据你要的一个灵敏度 来做调整 你可以调到450、460 或者是更低 完全是看你系统的一个需求 这一些设计和设定呢 它其实是在TI的上面直接可以 用一个图形化的方式 来做一个设定 然后就会把它转成你整个软件的source code 底下的图部分 就是背上上面的一个图形，就是说 如果你今天有一个noise产生了 那我四个频点的frequency hopping 它所产生的的一些效应 从这边来看，它的频点就是从f0—f3 今天这个示意图就是f0这一个频点 例如说它是十六MHz 它已经受到干扰 其他的三个频点包括蓝色线的f1 红色线的f2 还有绿色显得f30，这三个频点没有受到干扰 所以从这一个图形来看 就看到黄色的部分 或者讲橘色的部分 就受干扰非常严重 其他的三个频点看起来波形都非常完整 这样子的话 系统就有办法从另外的三个频点中 f1—f3去侦测到你得电容式，你的pad是有被触摸到 这个部分也是一个示意图 就是说 一个系统去打了一个noise 那这个noise是从300KHz—80MHz 你可以看到不同的频点 左边的部分是没有人体触摸的情况 所以你看到那个蓝色线 蓝色线的count其实是低于那个threshold 绿色的就是threshold 就是超越那个threshold我们才会认为它有被它取到 就像刚刚提的 所以左边的示意图 它是要说明 我用一个noise从300KHz—80MHz 然后1%的step 往上升，在不同的频点 我frequency hopping这四个频点 的一个侦测大概会是长什么样子 受到干扰的程度会是什么样的 从这边我们可以看到 它的特定频点就是受到干扰特别严重 例如说粉红色这根 就特别严重 旁边的绿色跟蓝色看起来就是没事 所以你这一个frequency hopping 它是可以有效的取滤除掉一些特定的顶点的干扰 右边的部分 右边的部分是示意图，就是 当同样的条件 可是你的人体过来触摸你的电容式触控的pad 我们可以看到所有的noise 等于是透过人体产生了路径 所以它受到干扰的程度就相当严重 但是因为frequency hopping的一个特点 我们还是可以透过frequency hopping的特点 然后再搭配TI一些软件的和filter的一些演算法 然后可以把这样子受干扰的频点 把它还原成右上方的图 右上方这个图我们可以看到 黑色线是lta，就是long term average 绿色线一样是threshold 蓝色线的部分就是搭配frequency hopping 还有TI内部的一些演算法 然后可以把这个蓝色线 filter count 非常准确的把它反应在上面 达到一个比较精密，没有误差的一个电容式侦测