在智能手机中使用按键开关控制器

本应用笔记描述并比较了智能手机键盘中常用的两种按键扫描方法。它显示了在低EMI方法中无需使用EMI滤波器的好处。还估算了与ESD保护二极管相关的容性负载余量。

介绍

智能手机的大脑是内置微处理器和专用信号处理电路的基带（BB）控制器。根据BB控制器的复杂性，通常有通用输入/输出（GPIO）引脚可用于按键开关实现。

最近，专用钥匙开关控制器芯片已用于许多智能手机。手机中使用专用的按键开关控制器芯片，有时是因为没有足够的GPIO引脚可用。当为功能手机设计的BB控制器用于智能手机以避免系统基础设施重新开发成本时，通常会发生这种情况。在其他时候，它用于最小化BB控制器和键盘之间的电线。对于 BB 控制器和键盘位于不同 PCB 或机箱上的滑出式键盘尤其如此。按键开关控制器通常通过I²C或SPI™接口连接到BB控制器。

专用开关控制器可以使用现成的GPIO芯片或使用传统按键扫描方法的小型微控制器来实现。一些专用的专用按键开关控制器芯片也使用传统的按键扫描方法。本文比较了传统和低EMI键扫描方法，以显示无需使用EMI滤波器的额外好处。

传统的按键扫描方法

图 1 显示了传统密钥扫描方法的一般方法。此方法既适用于 BB 控制器的“GPIO 引脚”实现，也适用于某些专用按键开关控制器。一些GPIO引脚用作列输出端口来驱动开关矩阵;其他 GPIO 引脚用作行输入端口，以检测开关的接触。通常没有电压施加到任何钥匙开关上，而它们没有被触摸。按下某个键后，按键控制器将开始扫描所有按键。扫描是通过一次升高一个柱电压来进行的，同时检查每行的输入电平，一次检查一个。8 x 8 开关矩阵可在 64 个时钟周期内扫描。时钟频率范围从几十kHz到几MHz。 在按键扫描期间，列输出电平在逻辑低电平和高电平之间摆动。电压可在 1.8V 至 3.3V 之间变化，具体取决于按键控制器的电源。

图1.传统的按键扫描方法。

由于这些色谱柱扫描信号的突然上升和下降，相应的电磁辐射会影响EMI测试的鉴定，特别是当长接线从BB控制器的GPIO引脚延伸到键盘时。这些色谱柱端口通常需要EMI滤波器，以最大程度地减少电磁辐射的影响。EMI滤波器可以是一阶RC或二阶CRC低通滤波器（图2a和2b）。EMI滤波器可以使用分立式无源元件实现，也可以采用小型TDFN或CSP封装。EMI滤波器的使用增加了元件成本并占用了电路板空间。

图 2a 和 2b. EMI 滤波器配置。

低EMI（无源扫描）方法

Maxim的按键开关控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360，均采用独特的无源扫描技术。该技术使用电流源驱动开关矩阵，并检测传递电流以检测开关触点。图 3 描述了这种被动密钥扫描方法的一般配置。按下某个键后，按键控制器将开始扫描所有按键。扫描是通过向所有列输出施加端口输出电压约为0.5V的恒流源来进行的，同时检测电流通过一次打开一行的行。对于这种被动扫描技术，8 x 8开关矩阵也可以在64个时钟周期内扫描，因为一次检测一列恒定电流的流动。在按键扫描期间，所有列电压均静态为0.5V，但按下按键的列电压在相应行端口的扫描时隙期间降低接近0V。

图3.Maxim的低EMI密钥扫描方法。

每个柱端口由一个约20μA的恒流源驱动。此电流量仅通过开关在很短的时间内进行接触的列和行端口。因此，与电压摆幅驱动容性和阻性负载的传统方法相比，这种被动扫描方法的功耗要低得多。

电磁辐射 （EMI） 比较

对于1.8V电源，0.5V的电压摆幅而不是整个电源轨本身可以减少11dB以上的电磁辐射。低EMI方法的低频率摆动也有助于降低电磁发射水平。图4显示了传统和低EMI密钥扫描方法的仿真功率谱密度（PSD）水平。测试假设时钟频率为1MHz，电源电压为1.8V，上升/下降时间为0.2μs。蓝色曲线代表传统方法，绿色曲线表示Maxim被动扫描方法。仿真结果表明，Maxim的低EMI方法的PSD电平降低了15dB。总之，低EMI方法产生的电磁辐射比传统方法低约15dB。通过如此显着地降低电磁辐射，可以避免使用EMI滤波器。

图4.模拟按键扫描 PSD 级别。蓝色曲线代表传统方法，绿色曲线表示Maxim被动扫描方法。

波形示例

图5中的深蓝色迹线（通道1）表示列端口，浅蓝色迹线（通道2）显示MAX7359按键开关控制器的行端口电压。跨越这些列和行端口的键在大约 26 毫秒时按下。按键控制器以 ~2ms 的延迟唤醒。它向列端口施加电流源，产生约0.5V的电压，并开始扫描。它会在选定的去抖动时间扫描两次，然后再决定某个键是否仍被按下或已释放。对于一对相邻的扫描脉冲，右侧是原始扫描，左侧是辅助去抖扫描。

图5.模拟按键扫描 PSD 级别。通道1显示MAX7359的列端口，通道2显示行端口电压。

ESD 保护和电容负载余量

连接到键盘的端口暴露在静电放电（ESD）中，需要保护，有时高达15kV。MAX7347、MAX7348、MAX7349和MAX7359的内置ESD保护分别为±2kV和±8kV（MAX7360）。外部ESD二极管通常与内置保护一起使用，以提供足够的保护。ESD保护二极管为这些连接的端口增加了容性负载。

通过独特的“按键”和“按键释放”代码，可以识别多个同时按键及其序列。但是，容性负载在所涉及的列和行端口上成倍增加。每个列端口由一个 20μA ±30% 的恒流源驱动。通过在排端口输出晶体管的栅极施加正脉冲，将每个行端口拉至地。当列端口通过钥匙开关的关闭被拉到地上时，当行端口处于地面时，检测到按键操作。

当正脉冲施加到行端口输出晶体管的栅极时，不久之后，开关的闭合点处有一个放电和充电过程。正脉冲之后，开关的闭合点从0.5V快速放电至零。正脉冲消失后，开关的闭合点充电至0.5V，公式如下：

在应用电路中，列端口和行端口的电容（包括来自连接的ESD保护二极管的电容）都参与充电过程。当充电时间长于扫描周期时，可能会发生“按键按下”的错误检测。错误检测到的键可以是其行扫描跟随同一列上的按下的键的键。

为了将充电时间限制在13μs以下，同时为电路提供约2.625μs的“按键”检测，并考虑30%的恒流源容差，根据以下公式，总电容应小于364pF：

每个端口的电容（包括来自连接的ESD保护二极管的电容）应小于C港口= C总/3 = 121pF，假设按下两个键，一个 shift 键和一个常规键。在上面的计算中考虑了两个行端口和一个列端口的电容。端口电容为20pF时，允许的外部电容为101pF。

仅当按下的键共享同一列端口时，上述方法才适用。通过在多次按键操作（例如 shift 键）中将经常按下的键重新分配到单独的列端口，其中仅考虑来自一个列端口和一个行端口的电容，也可以避免电容过大的问题。对于在每个列端口情况下按下一个键，每个端口允许的电容可以释放到C港口= C总/2 = 182pF。当端口电容为20pF时，由此产生的外部电容将为162pF。

结论

对智能手机使用专用的低EMI按键开关控制器的优点进行了研究。与传统方法相比，数据表明可以避免使用EMI滤波器。相反，使用低EMI键开关控制器器件可以改善整体系统设计并降低成本。这里估计的容性负载余量对于大多数手机键盘硬件来说是合理的。但是，应避免使用具有重容性负载的ESD器件。

审核编辑：郭婷