智能手機的大腦是基帶處理器(Baseband),，內(nèi)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(xiàn)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(jié)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(shù)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(xiàn)有的GPIO芯片或使用傳統(tǒng)的按鍵掃描微型單片機實現(xiàn),。一些專有的鍵盤控制器也采用傳統(tǒng)的按鍵掃描方式,。這篇應用筆記則對傳統(tǒng)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,。

圖1所示是傳統(tǒng)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(qū)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(jiān)測每“行”的輸入電平,。一個8 x 8的開關矩陣可經(jīng)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(tǒng)的邏輯高和邏輯低之間切換,。依據(jù)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。

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圖1. 傳統(tǒng)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,。

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(qū)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(jiān)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(jīng)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(tài)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(gòu),。

每“列”端口是由大約20µA的恒流源驅(qū)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(tǒng)掃描方式相比,，無源掃描因電壓高、低電平變化驅(qū)動容性和阻性負載產(chǎn)生的功耗大大降低,。

1.8V供電時,，用0.5V電壓擺幅替代滿幅度(1.8V)驅(qū)動，可有效降低電磁輻射(降低11dB),。此外,，低EMI鍵盤掃描架構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)方案,，綠色曲線代表低EMI方案。仿真結(jié)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(tǒng)方式下降15dB,。鑒于如此優(yōu)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(tǒng)方案,，綠色曲線代表Maxim的無源掃描方案。

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(jīng)過約2ms的延時,，鍵盤控制器被喚醒?？刂破鲗?ldquo;列”端口變成電流源,，電壓變?yōu)榇蠹s0.5V,，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,。

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(nèi)置±2kV ESD保護,，MAX7360內(nèi)置±8kV ESD保護,。外部ESD二極管用來配合內(nèi)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(fā)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(qū)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(jīng)過  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(fā)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(jù)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(jīng)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。

低EMI鍵盤控制器方案已經(jīng)在智能手機應用中普遍得到認可,，相比傳統(tǒng)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(tǒng)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(shù)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。