抗噪声设计以及TI参考设计

接下来我们开始介绍有关抗干扰设计的注意事项 以及EMC设计带来的挑战 这部分我们将会讨论 针对EMC设计我们会主要遇到的一些问题 以及针对这些问题我们如何来解决 在这里我们主要讨论三个部分 首先就是在一个噪声非常noisy的这个环境下 带来EMC的挑战这些东西它的原理是什么样的 这个噪声是如何进入到这个系统的 第二部分主要是如何理解CapTIvate内部的feature 特别是针对EMC 以及如何来应用 最后一块就是要... 怎么来集成包括硬件、软件还有芯片内部的这些feature 把这些综合在一起 来设计一颗可以适应高噪声环境的这么一个产品 这里我们提供了两个很详细的介绍 一个是有关EMC的介绍 第二个是有一个noise video traning 大家可以通过这些地址访问TI的官网 我们在做电磁电容芯设计的时候通常会包含两个目的 首先是抗干扰能力就是外界对它的干扰 如何能够适应这个噪声的环境 第二个是对外的干扰 就是产品本身它对周围的环境带来的干扰 通常EMC的测试标准我们是有一些标准 比如说，IEC的61000 通常电容触摸的设计更关心的事就是 易受到干扰的这个特性 这个和其他的电源设计什么的 是不太ㄧ样的 其他的这些电源设计它可能更关心的是对周围的一些环境的干扰 我们这边列出常见的一些EMC的测试 首先是ESD这个大家都很了解了 接触放电和空气放电 再一个EFT 61000-4-4 这个在我们家电还有大的这些工业设备上 可能经常会做EFT测试 最后一个是CNI 在某些要求抗噪声能力比较强的一些家电里面 会要求过这个61000-4-6 这个也是我们在做EMC 这个抗干扰测试里面最复杂的一个最难过的一个测试标准 在做这些EMC测试的时候 如果测试失败了那可能会有这几种情况 首先误操作、没反应或者是芯片reset latch-up甚至损坏 让我们先来看一下这个基本原理 噪声是怎么产生的 首先必须要有一个噪声源 它可以是电压随着时间变化或者是电流随着时间变化 第二是这个噪声源必须有一个路径 来耦合系统里面去 有以下这几种通过电容或者电杆耦合 通过RF耦合 或者是传导耦合 再一个就是从噪声源这边的频率 应该是和系统的受到噪声干扰之后的 这个噪声干扰频率应该是一致的 最后一个噪声源它的信号要足够强 噪声的信号足够强 以致于它会影响到系统 我们再来看一下针对电容触摸这个电流的流向 图中绿色的部份代表充电的时候的电流流向 红色的是放电的时候电流的流向 大家可以看到充电的时候 从power source到我们的 电源模块再到我们的触摸IC 也就是CapTIvate的芯片 然后再到电极到了电极之后这边有三个回路 第一个是电容板中间通过 集成电容的耦合到板子的地 第二路是通过电极和大地之间的耦合到地回路 第三路当然是手触摸的时候 电极和手指人体之间形成的这个电容 这是另外一个回路一直到大地 放电就是充电的一个逆过程 从这幅图我们可以看到噪声的电流流向 它和正常充放电的电流流向是一致的 它充斥在充放电的每一个线路上 我们把收到CNI噪声干扰时候的数据抓出来 大家可以看到 mutual互电容的数据在没有噪声的时候 大家可以看到这个信号delta值是非常稳定的 当有触摸的时候有一个接近100的差值 当然右侧这个图就是有CNI噪声干扰的时候 大家可以看到不管是在触摸还是在非触摸的时候 数据都会有一个非常大的抖动 从100到600之间来回跑 然后这仅仅是一个三伏的传导噪声 大家再看一下自电容的情况 和互电容差不多 自电容的时候在没有噪声的时候数据非常稳定 在有加入噪声的时候 也是来回跑但自电容和互电容唯一的区别就是 自电容在手不触摸的时候信号基本还是保持稳定的 只有当你手上去由于共模噪声的特性 它只有在你触摸的时候数据才会上下跑 我们芯片内部集成了哪些功能 来抑制这个噪声干扰呢？ 首先我们检测原理上我们使用了charge transfer 也就是电荷转移的这种原理 charge transfer的好处在于它不像张弛震荡 张弛震荡是通过频率充放电的频率来判断 那是非常容易受到干扰 电荷转移从原理上来说就已经增强了抗噪声的能力 第二我们芯片内部的基质有一个寄生电容的offset 它的一个最大的好处就是说我们在做板子的时候可以多铺地 又不会因为地铺的过多 寄生电容过大导致系统没反应 最后一个，我们还采用了Frequency hopping这种机制 这种机制就是我们会使用四个不同的频率 对按键进行扫描 这样的话假设其中有一个受到了干扰 那我们可以把这组数据丢掉 我们还可以采用其他三组没有受到干扰的数据进行计算 右下图我们可以看到这个紫色的FR 这个频率频段我们在扫描的时候它正好跟噪声有部份重叠 这样的话我们就可以把这个紫色的FR数据丢弃 我们采用其他三个数据 最后我们芯片内部还集成了一颗专用的LDO 专门给电容触摸模块使用 这是我们的一个CNI测试的一个例子 左下角这是我们在打CNI测试的时候 所使用的板子以及测试仪器 右手我们可以看到下方橙色的数据 是受到干扰的数据 而其他三个频率看起来基本没有受到影响 然后我们通过Frequency hopping的算法 最后得到了上面的数据 我们再来看两组这个是在打20伏CNI的测试 右侧是打10伏，但是同时还在触摸手按在上面的时候 下方的图是受到噪声干扰的原始数据 通过滤波之后我们得到的是上面这个最后的结果 大家可以看到没有产生误错 在手触摸的时候也没有产生误报点 最后我们在做整个系统设计的时候 我们需要从三个方面来实现一个抗干扰的设计 首先我们要从硬件上把噪声扼杀在摇篮里 第二个是通过芯片内部的EMC的feature 我们可以enable这些feature包括Frequency hopping这些功能 来消除噪声 最后我们还可以再增加一些软件上的滤波 比如说，IIR filter、De-bounce这些 这也可以增加抗噪声的能力 所有的这三个方面我们必须都要注意 才能实现一个成功的设计 这里我们还给出了一个链接 专门是介绍这个抗噪声的参考设计的 大家可以访问TI的这个网址 接下来我们就针对这三个方面 做一个详细的讨论 首先从硬件上来说 我们在IO code上多加一些保护机件 比如说，串联电阻或者是额外的TVS管 提供ESD保护 第二个最重要的是我们要尽量使用一个比较好的电源 规电源可以提高我们的抗噪声能力 特别是在做CNI测试以及EFT测试的时候 还有我们可以增加扼流圈 从硬件设计的第二个方面我们可以做一些在layout 特别是针对电极的layout可以做一些保护 在互电容的设计中我们可以使用铺实地 包括在周围以及按键的反面 都铺实心地 我们还可以在Rx脚上增加68pF的电容 这个我们在之前已经提到过了 最后一个是让这个Rx尽量的细和短 在下图中我们可以看到我们把Rx拆成四小块 每个都打洞到反面去 这样做的目的其实也就是保证Rx尽可能少地受到干扰 而针对自电容的设计 同样在保证足够的灵敏度的条件下使用实芯片铺地 我们从结构上 结构的设计上要考虑到尽可能的避免空气层的air gap 尽可能的不要使用connector 因为connector上面是非常容易引入噪声的 我们在sensor的轴线也要让它尽量的短 同时那 尽可能的加shielding比如说，实心体 给它进行保护 再来我们可以看到如果让这个sensor轴线小于10个mil 它的寄生电容也会变得非常小 在电极和IO之间加入串联电阻 可以形成一个低通滤波 它可以过滤100兆以上的噪声 具体我们可以参考 CDC里面文档的硬件设计checklist的这部分的内容 最后我们来介绍一下这个信号处理 大家可以看到下图我们列出了一个基本的信号处理流程 首先我们获得原始数据Raw Data 而后我们引入了Frequency hopping 多个频率采集所以我们可以滤掉受到噪声干扰的那个频率数据 然后使用那些没有受到干扰的数据 再透过Oversampling我们可以多采集一些数据进行处理 然后是IIR滤波 我们还增加了动态的门限调整 最后一旦按键触发 我们再通过De-bounce机制 来滤掉一些尖峰毛刺 最后我们才会得到touch的结果 在调试过程中由于我们可以使用CDC 这个过程变得非常的容易 刚才前面我们提到了这些Frequency hopping 还有动态门限调整这些功能 我们在CDC中只要勾选了 Enable Noise Immunity这个功能项 然后在我们的生成代码中就会把这些功能全部都开启 De-bounce和IIR滤波的一些参数配置 我们在相应的CDC的配置页也能够看到 直接在这边修改参数就可以了 具体的大家可以参考CDC参考文档中的Sensor Tuning Checklist 这部分介绍 Okay 我们再来看一下TI提供了哪些参考设计 就是针对CapTIvate 首先，我们看到的这个是一个EMC的参考设计 用我们右上角的这块板子我们就是使用了这块 这套板子通过了EMC 61000-4的测试 大家也可以到TI的网站上去看这个具体的测试报告 它过了哪些测试 第二个是一个温控器的参考设计 在板子上一共有八个触摸按键 主要只使用了六个MCU的IO code 遥控器的参考设计 在这个遥控器上我们设计了八个触摸按键 一个触摸滑条一个小的手势的gesture pad 可以做一些左滑右滑上滑下滑的操作 电子锁的参考设计 这里我们使用了12个互电容的触摸按键 包括还有一个proximity的按键 它可以通过这个proximity的按键唤醒系统 而它的待机功耗可以做到3.5个微安 同时我们在这个板子上还集成了震动以及封印器 但你手触摸的时候，LED会亮 同时，板子会有震动反馈 这是我们在家电的一个成功案例 这是一个室内的空调 它要求过10伏的CNI测试 这其实是一个非常严格的测试标准了 那最后我们通过了 这个案子它是一块非常小的一块PCB 上面一共有六个按键 在这个案子上为什么TI可以成功呢？ 因为它要求了非常高的一些测试标准 比如说，10伏的传统噪声测试 还有对讲机的干扰测试 温度、湿度还包括这个水气的测试 而它的按键版是一个只有六个按键 非常小的一块PCB 最后由于TI都通过了所有这些测试 最后得到了客户的认可 Okay 最后大家可以参考TI网站上 最后大家可以到TI的官网访问以下这些链接 它们都详细的介绍了今天我们讲到的这部分ppt的內容 谢谢大家