LDC2112/LDC2114：低功耗HMI按鈕應用的電感式觸摸解決方案

在電子設備的人機交互界面（HMI）設計中，觸摸按鈕以其簡潔、靈敏的操作體驗受到廣泛青睞。而德州儀器（TI）推出的LDC2112和LDC2114電感式觸摸解決方案，為低功耗HMI按鈕應用提供了出色的選擇。今天，我們就來深入了解一下這兩款器件。

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一、產品概述

LDC2112和LDC2114是多通道、低噪聲、高分辨率的電感數字轉換器（LDC），專為電感式觸摸應用而優化。它們能夠通過測量導電目標的微小偏轉引起的諧振傳感器頻率變化，來檢測按鈕的按壓動作。這兩款器件具有低功耗、可配置的按鈕掃描速率、力級測量等特性，適用于多種材料上的觸摸按鈕設計。

二、產品特性

1. 低功耗設計

• 單按鈕與雙按鈕功耗：以極低的功耗運行，在0.625 SPS時，單按鈕僅消耗6 μA電流；在20 SPS時，雙按鈕消耗72 μA電流。
• 多模式節能：支持超低功耗模式，適用于電池供電應用中的電源開關按鈕，有效延長電池壽命。

2. 可配置按鈕掃描速率

掃描速率范圍為0.625 SPS至80 SPS，可根據不同的應用場景和功耗需求進行靈活配置。

3. 觸摸按鈕力級測量

能夠精確測量觸摸按鈕的力級，實現更豐富的交互體驗。

4. 獨立通道操作

• LDC2112：提供兩個獨立的感應通道。
• LDC2114：提供四個獨立的感應通道，可同時處理多個按鈕的檢測。

5. 集成算法

• 可調力閾值：每個按鈕可設置可調的力閾值，滿足不同的操作需求。
• 環境偏移補償：自動補償環境變化引起的傳感器輸出緩慢變化，確保穩定的性能。
• 同時按鈕按壓檢測：有效檢測多個按鈕的同時按壓情況。

6. 強大的EMI性能

符合CISPR 22和CISPR 24標準，具有良好的電磁兼容性。

7. 寬工作范圍

• 電壓范圍：工作電壓范圍為1.8 V ± 5%。
• 溫度范圍：工作溫度范圍為–40 °C至 +85 °C，適應各種惡劣環境。

8. 豐富的接口

• I2C接口：用于編程內部寄存器和讀取通道數據。
• 專用邏輯輸出：每個通道都有專用的邏輯輸出，可用于向微控制器報告按鈕事件。

三、應用領域

1. 消費電子

• 智能手機：可用于電源按鈕、音量按鈕等，提供無機械按鍵的觸摸操作體驗。
• 智能手表和可穿戴設備：實現低功耗的觸摸交互，延長設備續航時間。
• 智能音箱：提供靈敏的觸摸控制，提升用戶體驗。
• 平板電腦/PC：用于觸摸板、功能按鈕等，增加操作的便捷性。
• 虛擬現實頭盔：實現沉浸式的觸摸交互。
• 條形音箱：提供簡潔的觸摸控制界面。

2. 工業應用

• 電視：用于遙控器、電視面板等，提升操作的便捷性。
• 手持設備：如工業手持終端，提供可靠的觸摸操作。
• 家用電器：如冰箱、洗衣機等，實現觸摸控制功能。
• HMI面板和鍵盤：提供靈敏、穩定的觸摸輸入。

四、工作原理

電感式觸摸系統的傳感器是一個線圈，可安裝在面板后面的小PCB上，通過測量導電目標的微小偏轉來檢測按鈕按壓。當導電目標靠近傳感器時，會產生渦流，導致傳感器的電感發生變化，從而引起諧振頻率的改變。LDC2112/LDC2114能夠精確測量這種頻率變化，并將其轉換為數字信號，從而判斷按鈕是否被按壓。

五、設計要點

1. 傳感器參數設計

• 頻率范圍：傳感器頻率應在1 MHz至30 MHz之間。
• 有效并聯電阻 (R_{P})： (R_{P}) 應在350 Ω至10 kΩ之間。
• 品質因數Q：Q值應在5至30之間。

2. COM引腳電容設置

COM引腳需要連接一個旁路電容到地，電容應選擇低ESL、低ESR類型，其值應滿足 (0 × C{SENSOR n} / Q{SENSOR n}{COM}<1250 × C{SENSOR n} / Q_{SENSOR n}) ，且最大不超過20 nF。

3. 按鈕掃描速率配置

可通過寄存器NP_SCAN_RATE（地址0x0D）和LP_SCAN_RATE（地址0x0F）分別配置正常功率模式和低功率模式下的掃描速率。

4. 按鈕采樣窗口編程

按鈕采樣窗口可通過寄存器LC_DIVIDER（地址0x17）中的LCDIV和寄存器SENSORn_CONFIG（地址0x20、0x22、0x24、0x26）中的SENCYCn進行編程，一般建議設置在1 ms至8 ms之間。

5. 增益校準

通過寄存器GAINn（地址0x0E、0x10、0x12、0x14）校準增益，可調整觸摸按鈕的靈敏度。

6. 特殊功能啟用

可通過寄存器BTPAUSE_MAXWIN、TWIST、COMMON_DEFORM（地址0x16、0x19、0x1A）啟用特殊功能，如消除共模變化、解決同時按鈕按壓問題、克服外殼扭曲和減輕金屬變形等。

六、布局注意事項

1. COM引腳旁路電容

COM引腳應通過一個合適的電容旁路到地，電容應盡可能靠近COM引腳放置，COM信號應連接到INn信號下方的小銅填充區域。

2. LC諧振器連接

每個活動通道需要連接一個LC諧振器到相應的INn引腳，傳感器電容應放置在距INn引腳10 mm以內，電感應放置在金屬目標旁邊的適當位置。

3. DSBGA封裝布線

對于DSBGA封裝，內部四個器件焊盤（INTB、OUT3、LPWRB和SDA）應通過過孔在內部層布線，以減少與其他信號的耦合。

4. 避免光照影響

DSBGA器件應避免直接暴露在光線下，尤其是紅色和紅外光譜的光線，以免影響器件的正常運行。

七、總結

LDC2112/LDC2114以其低功耗、高性能、豐富的功能和靈活的配置，為低功耗HMI按鈕應用提供了優秀的解決方案。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇傳感器參數、配置掃描速率和采樣窗口、校準增益，并注意布局布線等問題，以確保系統的穩定運行和良好性能。你在使用類似的電感式觸摸解決方案時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。