LDC2112/LDC2114：低功耗HMI按钮应用的电感式触摸解决方案

在电子设备的人机交互界面（HMI）设计中，触摸按钮以其简洁、灵敏的操作体验受到广泛青睐。而德州仪器（TI）推出的LDC2112和LDC2114电感式触摸解决方案，为低功耗HMI按钮应用提供了出色的选择。今天，我们就来深入了解一下这两款器件。

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一、产品概述

LDC2112和LDC2114是多通道、低噪声、高分辨率的电感数字转换器（LDC），专为电感式触摸应用而优化。它们能够通过测量导电目标的微小偏转引起的谐振传感器频率变化，来检测按钮的按压动作。这两款器件具有低功耗、可配置的按钮扫描速率、力级测量等特性，适用于多种材料上的触摸按钮设计。

二、产品特性

1. 低功耗设计

• 单按钮与双按钮功耗：以极低的功耗运行，在0.625 SPS时，单按钮仅消耗6 µA电流；在20 SPS时，双按钮消耗72 µA电流。
• 多模式节能：支持超低功耗模式，适用于电池供电应用中的电源开关按钮，有效延长电池寿命。

2. 可配置按钮扫描速率

扫描速率范围为0.625 SPS至80 SPS，可根据不同的应用场景和功耗需求进行灵活配置。

3. 触摸按钮力级测量

能够精确测量触摸按钮的力级，实现更丰富的交互体验。

4. 独立通道操作

• LDC2112：提供两个独立的感应通道。
• LDC2114：提供四个独立的感应通道，可同时处理多个按钮的检测。

5. 集成算法

• 可调力阈值：每个按钮可设置可调的力阈值，满足不同的操作需求。
• 环境偏移补偿：自动补偿环境变化引起的传感器输出缓慢变化，确保稳定的性能。
• 同时按钮按压检测：有效检测多个按钮的同时按压情况。

6. 强大的EMI性能

符合CISPR 22和CISPR 24标准，具有良好的电磁兼容性。

7. 宽工作范围

• 电压范围：工作电压范围为1.8 V ± 5%。
• 温度范围：工作温度范围为–40 °C至 +85 °C，适应各种恶劣环境。

8. 丰富的接口

• I2C接口：用于编程内部寄存器和读取通道数据。
• 专用逻辑输出：每个通道都有专用的逻辑输出，可用于向微控制器报告按钮事件。

三、应用领域

1. 消费电子

• 智能手机：可用于电源按钮、音量按钮等，提供无机械按键的触摸操作体验。
• 智能手表和可穿戴设备：实现低功耗的触摸交互，延长设备续航时间。
• 智能音箱：提供灵敏的触摸控制，提升用户体验。
• 平板电脑/PC：用于触摸板、功能按钮等，增加操作的便捷性。
• 虚拟现实头盔：实现沉浸式的触摸交互。
• 条形音箱：提供简洁的触摸控制界面。

2. 工业应用

• 电视：用于遥控器、电视面板等，提升操作的便捷性。
• 手持设备：如工业手持终端，提供可靠的触摸操作。
• 家用电器：如冰箱、洗衣机等，实现触摸控制功能。
• HMI面板和键盘：提供灵敏、稳定的触摸输入。

四、工作原理

电感式触摸系统的传感器是一个线圈，可安装在面板后面的小PCB上，通过测量导电目标的微小偏转来检测按钮按压。当导电目标靠近传感器时，会产生涡流，导致传感器的电感发生变化，从而引起谐振频率的改变。LDC2112/LDC2114能够精确测量这种频率变化，并将其转换为数字信号，从而判断按钮是否被按压。

五、设计要点

1. 传感器参数设计

• 频率范围：传感器频率应在1 MHz至30 MHz之间。
• 有效并联电阻 (R_{P})： (R_{P}) 应在350 Ω至10 kΩ之间。
• 品质因数Q：Q值应在5至30之间。

2. COM引脚电容设置

COM引脚需要连接一个旁路电容到地，电容应选择低ESL、低ESR类型，其值应满足 (0 × C{SENSOR n} / Q{SENSOR n}{COM}<1250 × C{SENSOR n} / Q_{SENSOR n}) ，且最大不超过20 nF。

3. 按钮扫描速率配置

可通过寄存器NP_SCAN_RATE（地址0x0D）和LP_SCAN_RATE（地址0x0F）分别配置正常功率模式和低功率模式下的扫描速率。

4. 按钮采样窗口编程

按钮采样窗口可通过寄存器LC_DIVIDER（地址0x17）中的LCDIV和寄存器SENSORn_CONFIG（地址0x20、0x22、0x24、0x26）中的SENCYCn进行编程，一般建议设置在1 ms至8 ms之间。

5. 增益校准

通过寄存器GAINn（地址0x0E、0x10、0x12、0x14）校准增益，可调整触摸按钮的灵敏度。

6. 特殊功能启用

可通过寄存器BTPAUSE_MAXWIN、TWIST、COMMON_DEFORM（地址0x16、0x19、0x1A）启用特殊功能，如消除共模变化、解决同时按钮按压问题、克服外壳扭曲和减轻金属变形等。

六、布局注意事项

1. COM引脚旁路电容

COM引脚应通过一个合适的电容旁路到地，电容应尽可能靠近COM引脚放置，COM信号应连接到INn信号下方的小铜填充区域。

2. LC谐振器连接

每个活动通道需要连接一个LC谐振器到相应的INn引脚，传感器电容应放置在距INn引脚10 mm以内，电感应放置在金属目标旁边的适当位置。

3. DSBGA封装布线

对于DSBGA封装，内部四个器件焊盘（INTB、OUT3、LPWRB和SDA）应通过过孔在内部层布线，以减少与其他信号的耦合。

4. 避免光照影响

DSBGA器件应避免直接暴露在光线下，尤其是红色和红外光谱的光线，以免影响器件的正常运行。

七、总结

LDC2112/LDC2114以其低功耗、高性能、丰富的功能和灵活的配置，为低功耗HMI按钮应用提供了优秀的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择传感器参数、配置扫描速率和采样窗口、校准增益，并注意布局布线等问题，以确保系统的稳定运行和良好性能。你在使用类似的电感式触摸解决方案时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。