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

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