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世平代理之安森美半導體推出採用互電容式觸摸傳感器技術改進汽車的用戶接口

 2017-12-20

消費者對觸摸傳感器接口的性能和直觀性有了更大的期望。這顯然是其使用可攜式電子產品如智慧型手機和平板計算機的經驗的結果。因此,在其它應用領域,絕大多數人不會接受任何低效的操作,因為觸控開始在廣泛而多樣的終端市場選擇中更廣泛的激增。他們想要獲得同樣的在其他地方也可以使用的無縫流暢、無毛刺的操作。在這裡,我們將看看觸摸技術開始流行用於汽車設計的影響。

 

汽車製造商和其一線技術合作夥伴開始意識到汽車行業的觸摸式控制商機,為他們提供一種在競爭激烈的市場上提供產品差異化的方法。已經確定在現代汽車內有很多地方可以應用。其中最突出的是暖通空調(HVAC)控制、智能鑰匙進入系統(基於接近感測)和車身電子功能如電動車窗升降機。

 

當然,涉及到指定什麼樣的觸摸傳感方案用於此類功能的決策過程與指定什麼方案用於可攜式電子產品、家庭娛樂系統、白家電等的決策過程有很大不同。正如我們將看到的,有一些重要的、非常有特色的方面定義了汽車部署,而這一點根本不會出現在其它市場。這些需要給予足夠的考慮,否則觸摸系統將不能滿足應用性能、可靠性和耐用要求。

 

汽車環境中的觸摸傳感

汽車環境通常是嚴苛的。因此車輛系統上使用的電子器件需要具有解決這個問題的屬性。當想要在這樣的環境中使用觸摸傳感器時,需要考慮一些關鍵的標準。

 

首先,觸摸傳感器將容易受到高水平的電磁噪聲的影響 – 電磁噪聲由汽車中的各種電機以及電纜線束、發電機線圈和眾多其他來源產生。如果不妥善處理,這種噪聲可損害觸摸系統的可靠性。其次,這些觸摸傳感器的位置屬性意味著它們可能不得不應對各種物理應力,如機械衝擊、振動和高溫。因此必須具備堅固的結構。由於這些原因,電容式觸摸傳感器被認為是最合適的。

 

其次,由於不同汽車的電氣系統級參數有很大的差異,所以在汽車下線之前需要有微調的餘地。最後,鑒於在車艙內和車外有如此眾多不同的應用可受益於觸摸功能,傳感器應包括各種特徵來匹配特定的應用需求;支持不同的設計配置的能力,同時保持儘可能低的相關器件數是很重要的。例如,一些設計可能導致在傳感器/ PCB和防護罩之間存在氣隙。這通常意味著必須結合一個導光器到該裝置(對物料單成本和相關的工程工作量都有影響)。採用可緩解這種問題的技術將證明是有利的。

 

電容式觸摸傳感原理

電容式觸摸傳感器可以基於兩種不同的傳感技術,即自電容和互電容。使用自電容,當用戶的手指接近傳感器電極時,檢測到電容量的增加。自電容式觸摸傳感器雖然應用廣泛,但易受寄生電容效應的影響。它們在可實現的範圍方面也有公認的局限性。這意味著他們不適合用於存在氣隙的情況下。相比之下,互電容配置有兩個單獨的電極,檢測是基於當用戶的手指接近時電極之間力線的減少。這種方法,配以良好的信號調節,支持更長距離的操作,不受與自電容相同程度的寄生電容的影響。因此,能夠更好地處理氣隙和固有的噪聲應用環境。

 

應用實例

使用互電容的方法令汽車工程師能部署觸摸傳感器用於許多不同目的。更高的靈敏度意味著它們可以不僅用於觸摸還可用於接近感應。例如,圖1所示智能鑰匙車輛進入應用,在該應用中,駕駛員可以通過不遠處的電容變化來解鎖車門,而不必接觸車門把手。圖2顯示了這種傳感系統如何同樣適用於電動車窗升降器控制面板應用。車艙設計的本質意味著車輛乘員接觸的防護罩不可能與安裝傳感器的PCB直接接觸,從而留下相當大的氣隙。通過互電容傳感器配置,無需用導光器件(及複雜和高成本的光學鍵合)填充此間隙。從而可以成就更簡化和具性價比的系統方案。  

 

 
               

來自公司如安森美半導體的先進的電容式數字轉換器LSI(大規模集成電路)技術具有業界領先的動態範圍,可以支持電容式觸摸傳感器中顯著的性能改善,從而增強其在汽車應用中的操作。安森美半導體的LC717A30UJ設計用於與互電容觸摸傳感器一起使用,得益於其寄生電容補償機制,樹立了新的觸摸靈敏度標準。它還具有內置的噪聲抑制能力,有助於減輕往往存在於汽車環境的電磁干擾的影響。該LSI可以支持低至毫微法拉(fF)水平、範圍達150毫米的電容變化檢測。因此,它不僅具備處理傳統觸摸功能的能力,還具有接近傳感和複雜的手勢識別功能。此外,這意味著器件在傳感器/ PCB和防護罩之間有空隙時也能工作。這樣就省去了在用戶界面設計中引入光導的必要性,從而使物料單成本的顯著減少得以實現。

 

 

 
                              

 LC717A30UJ有8個電容傳感輸入通道,使得它非常適合需要一系列開關的系統。它的其它功能是用於數據轉換的模數轉換器、用於確定模擬輸出上的電容變化的雙級放大器和用於輸入通道選擇的集成多任務器。可以根據系統的特定應用要求選擇I2C和SPI串行接口。此外,這符合AEC-Q100標準的極強固的IC具有一個內置的自動校準功能。這優化和自校準觸摸傳感器系統電極的特點,以及線路電容和周圍的環境。它簡化了安裝過程,最大限度地提高了用戶接口的實用效率,向業界展示了一種單晶片觸摸/接近傳感方案,既準確又可靠。

 

儘管汽車行業有著巨大的、尚未開發的潛在的觸摸控制技術,但仍有許多挑戰需要克服。使用該技術開始新的設計前,工程師需要考慮到這些。他們應該指定具有信號完整性的半導體技術以增強觸摸傳感器的性能和配置,從而優化系統。