智能手機鍵盤控制器的一種實現方法
摘要： 這篇應用筆記介紹并比較了兩種智能手機中常用的按鍵掃描方式。著重介紹了低EMI方案節省EMI濾波器的優勢。最后，對ESD保護二級管可引入的最大容性負載進行了估算。
Abstract：
Key words :
簡介
智能手機的大腦是基帶處理器(Baseband)，內置微型處理器和專用信號處理電路。依靠基帶控制器的先進設計，通用輸入/輸出口(GPIO)可用來實現按鍵開關功能。
目前，專用鍵盤控制器IC已廣泛用于智能手機。這些專用鍵盤控制器之所以排上用場，原因在于基帶芯片的GPIO資源非常有限。比如，有時為了節約成本，用戶將本來用于功能電話的基帶芯片應用到了智能手機的設計；有時則是為了減少基帶控制器與鍵盤之間的連接線數量，特別是對于滑蓋手機，基帶處理器和鍵盤分布在不同的PCB上。鍵盤控制器通常由I²C總線或SPI總線連接到基帶處理器。
鍵盤控制器的功能可用現有的GPIO芯片或使用傳統的按鍵掃描微型單片機實現。一些專有的鍵盤控制器也采用傳統的按鍵掃描方式。這篇應用筆記則對傳統的按鍵掃描和低EMI按鍵掃描方案進行了比較，并列舉了省去EMI濾波器件帶來的益處。
傳統的按鍵掃描方案
圖1所示是傳統的按鍵掃描方案，基帶處理器的GPIO鍵盤控制或某些專用的鍵盤控制器都采取了這個方式。有些GPIO引腳設計成“列”輸出端口，驅動開關矩陣；有些GPIO引腳設計成“行”輸入端口，檢測按鍵開關的閉合。通常，沒有按鍵按下時，每個按鍵上都沒有電壓。一旦某個按鍵按下，鍵盤控制器開始掃描所有的按鍵。掃描動作通過逐漸升高“列”電壓的同時，來輪詢監測每“行”的輸入電平。一個8 x 8的開關矩陣可經過64個時鐘周期完成一遍掃描。時鐘頻率的范圍可以設定在幾十kHz到幾MHz之間，“列”輸出電平在系統的邏輯高和邏輯低之間切換。依據鍵盤控制器的供電電壓，邏輯高電平可以從1.8V到3.3V變化。
圖1. 傳統鍵盤掃描電路。
因為“列”掃描信號的突然上升和下降造成的電磁輻射可能會影響EMI測試，尤其是那些基帶處理器GPIO與鍵盤之間有較長布線的設計。通常，在“列”輸出端口需要EMI濾波器件來降低EMI輻射。EMI濾波器可以是一級RC濾波或者二級CRC低通濾波(見圖2a和2b)。EMI濾波可以使用分立的無源器件，也可使用小尺寸TDFN/CSP封裝的EMI濾波器。這顯然會增加成本并占用空間。
圖2a和2b. EMI濾波器。
低EMI (無源掃描)
Maxim的鍵盤控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360采用一種獨特的無源掃描方式，利用電流源驅動開關矩陣，并通過檢測電流來檢測按鍵動作。圖3說明了無源按鍵掃描的工作原理。一旦按下一個按鍵，控制器便開始掃描所有按鍵。掃描時，在所有“列”端口施加電壓約為0.5V的恒流源，控制器監測流過依次使能的每“行”電流。因為每一時刻只有一“列”檢測到電流流過，所以，對于一個8 x 8開關矩陣，這種無源掃描方式也需要經過64個時鐘周期完成掃描。在按鍵掃描期間，所有“列”電壓都是靜態的0.5V (有按鍵按下的列除外)，在其對應的“行”端口處于掃描期間，該“列”電壓降低到0V。
圖3. Maxim的低EMI鍵盤掃描架構。
每“列”端口是由大約20µA的恒流源驅動，“行”、“列”端口只在開關接觸的很短時間消耗電流。因此，與傳統掃描方式相比，無源掃描因電壓高、低電平變化驅動容性和阻性負載產生的功耗大大降低。
電磁輻射
1.8V供電時，用0.5V電壓擺幅替代滿幅度(1.8V)驅動，可有效降低電磁輻射(降低11dB)。此外，低EMI鍵盤掃描架構中更低的掃描頻率也能幫助降低電磁輻射水平。圖4是傳統方案和低EMI方案的功率頻譜密度(PSD)仿真圖。測試基于1MHz時鐘頻率，供電電壓1.8V，上升/下降時間0.2µs，藍色曲線代表傳統方案，綠色曲線代表低EMI方案。仿真結果表明，Maxim低EMI方案的PSD降低15dB。總之，低EMI方案的電磁輻射相比較傳統方式下降15dB。鑒于如此優異的輻射指標，可以省去EMI濾波器。
圖4. 鍵盤掃描PSD仿真，藍色曲線代表傳統方案，綠色曲線代表Maxim的無源掃描方案。
波形示例
圖5是MAX7359鍵盤控制器的波形，深藍色波形(通道1)為“列”端口波形，淡藍色波形(通道2)為“行”端口波形。該“行”和“列”交叉的那個按鍵在大約第26ms時候按下。經過約2ms的延時，鍵盤控制器被喚醒。控制器將“列”端口變成電流源，電壓變為大約0.5V，并開始掃描。在確認一個按鍵依然被按下或者按鍵被釋放前，它會按設定的去抖時間掃描2次。每對臨近的掃描脈沖，右邊為初始掃描，左邊是第二次的去抖掃描。
圖5. 通道1代表MAX7359“列”端口電壓，通道2代表MAX7359“行”端口電壓。
ESD保護和電容負載
連接到鍵盤的所有端口都暴露在ESD之下，有時需要達到15KV，因此需要靜電保護。MAX7347、MAX7348和MAX7359內置±2kV ESD保護，MAX7360內置±8kV ESD保護。外部ESD二極管用來配合內部保護電路，共同提升防靜電等級。但ESD二極管增加了端口容性負載。
通過用互不相同的“按鍵按下”和“按鍵釋放”編碼，控制器可以識別同時發生的多個“按鍵按下”事件以及他們的順序。但是，在相應的“行”“列”端口，容性負載會成倍增加。每個“列”端口由一個20µA、±30%的電流源驅動。施加在“行”端口輸出晶體管柵極的正脈沖，將每“行”端口下拉到地。當“行”端口處在地電位時，某“列”端口因為按鍵閉合而連通，也被下拉到地，由此檢測到一個按鍵按下的動作。
正脈沖施加在“行”端口輸出晶體管柵極，并在稍后在開關的閉合點會有一個放電和充電過程。緊隨正脈沖之后，開關閉合點快速從0.5V放電到0。當正脈沖消失，開關閉合點又被充電到0.5V，基于下面公式：
這里C是開關閉合點的總電容。對一個pF級電容，需要經過 
的時間達到0.5V。掃描周期大約為
。
的時間達到0.5V。掃描周期大約為。
實際應用電路中，“行”、“列”端口電容，包括外加的ESD保護二極管，都參與到充電過程。充電時間長于掃描周期時，有可能發生錯誤的“按鍵按下”檢測。被誤檢的按鍵是當前這個被按下的“列”與緊隨的下一個“行”掃描交叉的那個按鍵。
為了限制充電時間少于13µs同時預留2.625µs進行按鍵檢測，并考慮電流源30%的誤差，根據下式，總電容應該小于364pF：
每個端口的電容，包括外置ESD二極管引入的電容，應該少于Cport = Ctotal/3 = 121pF，假設有兩個按鍵，shift和一個常用鍵被按下。上面的計算考慮了2行和1列端口的電容。當端口電容為20pF時，允許外置電容是101pF。
上述計算方法只適用于被按下的按鍵屬于同一“列”的情況。對于經常會同時按下鍵，如shift鍵，可以通過將其定義在獨立的“行”、“列”端口來避免端口疊加過多電容的問題。對于每“列”端口單獨按下的按鍵，端口允許的電容是：Cport = Ctotal/2 = 182pF。每個端口的電容是20pF，因此，外部器件的電容可以達到162pF。
結論
低EMI鍵盤控制器方案已經在智能手機應用中普遍得到認可，相比傳統的鍵盤掃描方案，可以省去EMI濾波器。使用低EMI開關控制器能提升系統的整體性能并降低成本。負載電容的估算也適用于絕大多數手機硬件的鍵盤電路。但要避免使用負載電容很大的ESD外圍器件。
此內容為AET網站原創，未經授權禁止轉載。