智能手機(jī)的大腦是基帶處理器(Baseband),，內(nèi)置微型處理器和專用信號(hào)處理電路,。依靠基帶控制器的先進(jìn)設(shè)計(jì)，通用輸入/輸出口(GPIO)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵開(kāi)關(guān)功能,。

目前,，專用鍵盤控制器IC已廣泛用于智能手機(jī)。這些專用鍵盤控制器之所以排上用場(chǎng),，原因在于基帶芯片的GPIO資源非常有限,。比如,，有時(shí)為了節(jié)約成本，用戶將本來(lái)用于功能電話的基帶芯片應(yīng)用到了智能手機(jī)的設(shè)計(jì),；有時(shí)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(duì)于滑蓋手機(jī)，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(jī)實(shí)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(yīng)用筆記則對(duì)傳統(tǒng)的按鍵掃描和低EMI按鍵掃描方案進(jìn)行了比較,，并列舉了省去EMI濾波器件帶來(lái)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(gè)方式,。有些GPIO引腳設(shè)計(jì)成“列”輸出端口，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)矩陣,；有些GPIO引腳設(shè)計(jì)成“行”輸入端口,，檢測(cè)按鍵開(kāi)關(guān)的閉合。通常,，沒(méi)有按鍵按下時(shí),，每個(gè)按鍵上都沒(méi)有電壓。一旦某個(gè)按鍵按下,，鍵盤控制器開(kāi)始掃描所有的按鍵,。掃描動(dòng)作通過(guò)逐漸升高“列”電壓的同時(shí)，來(lái)輪詢監(jiān)測(cè)每“行”的輸入電平,。一個(gè)8 x 8的開(kāi)關(guān)矩陣可經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)鐘周期完成一遍掃描,。時(shí)鐘頻率的范圍可以設(shè)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?yàn)?ldquo;列”掃描信號(hào)的突然上升和下降造成的電磁輻射可能會(huì)影響EMI測(cè)試，尤其是那些基帶處理器GPIO與鍵盤之間有較長(zhǎng)布線的設(shè)計(jì),。通常,，在“列”輸出端口需要EMI濾波器件來(lái)降低EMI輻射。EMI濾波器可以是一級(jí)RC濾波或者二級(jí)CRC低通濾波(見(jiàn)圖2a和2b),。EMI濾波可以使用分立的無(wú)源器件,，也可使用小尺寸TDFN/CSP封裝的EMI濾波器。這顯然會(huì)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(dú)特的無(wú)源掃描方式,，利用電流源驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)矩陣,，并通過(guò)檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)按鍵動(dòng)作。圖3說(shuō)明了無(wú)源按鍵掃描的工作原理,。一旦按下一個(gè)按鍵,，控制器便開(kāi)始掃描所有按鍵。掃描時(shí),，在所有“列”端口施加電壓約為0.5V的恒流源,，控制器監(jiān)測(cè)流過(guò)依次使能的每“行”電流。因?yàn)槊恳粫r(shí)刻只有一“列”檢測(cè)到電流流過(guò),，所以,，對(duì)于一個(gè)8 x 8開(kāi)關(guān)矩陣，這種無(wú)源掃描方式也需要經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)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(duì)應(yīng)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(dòng),，“行”,、“列”端口只在開(kāi)關(guān)接觸的很短時(shí)間消耗電流。因此,，與傳統(tǒng)掃描方式相比,，無(wú)源掃描因電壓高、低電平變化驅(qū)動(dòng)容性和阻性負(fù)載產(chǎn)生的功耗大大降低,。

1.8V供電時(shí),，用0.5V電壓擺幅替代滿幅度(1.8V)驅(qū)動(dòng)，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(cè)試基于1MHz時(shí)鐘頻率,，供電電壓1.8V，上升/下降時(shí)間0.2µs,，藍(lán)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,?？傊虴MI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(biāo),，可以省去EMI濾波器。

圖4. 鍵盤掃描PSD仿真，藍(lán)色曲線代表傳統(tǒng)方案,，綠色曲線代表Maxim的無(wú)源掃描方案,。

圖5是MAX7359鍵盤控制器的波形，深藍(lán)色波形(通道1)為“列”端口波形,，淡藍(lán)色波形(通道2)為“行”端口波形,。該“行”和“列”交叉的那個(gè)按鍵在大約第26ms時(shí)候按下。經(jīng)過(guò)約2ms的延時(shí),，鍵盤控制器被喚醒,。控制器將“列”端口變成電流源,，電壓變?yōu)榇蠹s0.5V,，并開(kāi)始掃描。在確認(rèn)一個(gè)按鍵依然被按下或者按鍵被釋放前,，它會(huì)按設(shè)定的去抖時(shí)間掃描2次,。每對(duì)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(shí)需要達(dá)到15KV,，因此需要靜電保護(hù),。MAX7347,、MAX7348和MAX7359內(nèi)置±2kV ESD保護(hù),，MAX7360內(nèi)置±8kV ESD保護(hù)。外部ESD二極管用來(lái)配合內(nèi)部保護(hù)電路,，共同提升防靜電等級(jí),。但ESD二極管增加了端口容性負(fù)載。

通過(guò)用互不相同的“按鍵按下”和“按鍵釋放”編碼,，控制器可以識(shí)別同時(shí)發(fā)生的多個(gè)“按鍵按下”事件以及他們的順序,。但是,，在相應(yīng)的“行”“列”端口，容性負(fù)載會(huì)成倍增加,。每個(gè)“列”端口由一個(gè)20µA,、±30%的電流源驅(qū)動(dòng)。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(dāng)“行”端口處在地電位時(shí)，某“列”端口因?yàn)榘存I閉合而連通,，也被下拉到地,，由此檢測(cè)到一個(gè)按鍵按下的動(dòng)作。

正脈沖施加在“行”端口輸出晶體管柵極,，并在稍后在開(kāi)關(guān)的閉合點(diǎn)會(huì)有一個(gè)放電和充電過(guò)程,。緊隨正脈沖之后，開(kāi)關(guān)閉合點(diǎn)快速?gòu)?.5V放電到0,。當(dāng)正脈沖消失,，開(kāi)關(guān)閉合點(diǎn)又被充電到0.5V，基于下面公式：

這里C是開(kāi)關(guān)閉合點(diǎn)的總電容,。對(duì)一個(gè)pF級(jí)電容,，需要經(jīng)過(guò)  的時(shí)間達(dá)到0.5V。掃描周期大約為,。

實(shí)際應(yīng)用電路中,，“行”、“列”端口電容,，包括外加的ESD保護(hù)二極管,，都參與到充電過(guò)程。充電時(shí)間長(zhǎng)于掃描周期時(shí),，有可能發(fā)生錯(cuò)誤的“按鍵按下”檢測(cè),。被誤檢的按鍵是當(dāng)前這個(gè)被按下的“列”與緊隨的下一個(gè)“行”掃描交叉的那個(gè)按鍵。

為了限制充電時(shí)間少于13µs同時(shí)預(yù)留2.625µs進(jìn)行按鍵檢測(cè),，并考慮電流源30%的誤差,，根據(jù)下式，總電容應(yīng)該小于364pF：

每個(gè)端口的電容,，包括外置ESD二極管引入的電容,，應(yīng)該少于Cport = Ctotal/3 = 121pF，假設(shè)有兩個(gè)按鍵,，shift和一個(gè)常用鍵被按下,。上面的計(jì)算考慮了2行和1列端口的電容。當(dāng)端口電容為20pF時(shí),，允許外置電容是101pF,。

上述計(jì)算方法只適用于被按下的按鍵屬于同一“列”的情況,。對(duì)于經(jīng)常會(huì)同時(shí)按下鍵，如shift鍵,，可以通過(guò)將其定義在獨(dú)立的“行”,、“列”端口來(lái)避免端口疊加過(guò)多電容的問(wèn)題。對(duì)于每“列”端口單獨(dú)按下的按鍵,，端口允許的電容是：Cport = Ctotal/2 = 182pF,。每個(gè)端口的電容是20pF，因此,，外部器件的電容可以達(dá)到162pF,。

低EMI鍵盤控制器方案已經(jīng)在智能手機(jī)應(yīng)用中普遍得到認(rèn)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(kāi)關(guān)控制器能提升系統(tǒng)的整體性能并降低成本。負(fù)載電容的估算也適用于絕大多數(shù)手機(jī)硬件的鍵盤電路,。但要避免使用負(fù)載電容很大的ESD外圍器件,。