一种采用寄生电容耦合驱动技术、TX驱动功耗降低32.8%的互电容式触控传感器集成电路

《Microelectronics Journal》：A mutual-capacitance touch-sensor IC with a 32.8% TX-driving-power reduction using parasitic-capacitance-coupling driving

　　

摘要：大面积、高分辨率且高度集成的触摸显示模块增加了TX/RX通道数量以及TSP电极与显示面板之间的寄生耦合，提高了TX驱动功耗和与显示相关的干扰。通过提高激励能量或编码增益可以维持触摸检测信噪比，但会进一步增加TX功耗和基线感应电荷，降低可用的读出动态范围。本文提出了一种结合寄生电容耦合驱动（PCCD）与电荷域基线抵消的触摸感应模拟前端（AFE）。PCCD通过相邻TSP TX电极之间固有的寄生电容重新分配电荷，这些TX电极由极性相反的信号驱动，从而在不增加额外电荷回收电容的情况下降低TX驱动功耗。一种具有低噪声电荷驱动失调补偿器的电荷放大器在数字化之前抵消基线电荷。该AFE采用130nm高压BCD工艺制造，在约630Hz时实现了51.8dB的信噪比，功耗为50.9mW。PCCD将TX驱动功耗从32.4mW降低至21.7mW，降幅达32.8%，同时保持了相当的信噪比。

引言：互电容触摸感应已广泛应用于移动终端、车载显示屏和工业人机界面，因为它支持多点触摸检测[1]，[2]。集成触摸显示模块通常由盖板玻璃、偏光片、触摸屏面板（TSP）和显示面板等功能层组成。随着on-cell/触摸封装上集成结构的发展，如图1(a)所示，OLED显示面板越来越多地采用薄膜封装（TFE）取代传统的较厚玻璃封装，使TSP可以集成在OLED封装层之上，从而减小整体模块堆叠厚度。图1(b)展示了典型互电容触摸系统的基本工作原理。当手指接近或触摸TX/RX交叉节点时，手指引入的旁路电容Cfinger减小了该节点处的互电容CM。模拟前端驱动电路将激励信号施加到TSP上，读出电路检测CM的变化量（ΔCM）以确定是否发生触摸及其位置。由于触摸引起的ΔCM通常较小，触摸检测质量很大程度上取决于有效触摸信号与显示相关干扰的比值。

触摸显示模块目前正在向更大面积、更高分辨率和更高集成度发展。大面积和高分辨率应用需要更多的TX/RX电极和更密集的触摸节点，迫使触摸系统采用更多的驱动和读出模块，从而增加整体系统功耗。同时，高度集成的显示模块通常具有更薄的堆叠，这进一步减小了TSP电极与显示面板之间的距离，并增加了它们之间的寄生电容[3]，[4]。增加的寄生电容不仅增加了TX驱动负载和功耗，还增强了显示相关干扰向触摸感应通路的耦合[5]，[6]。因此，在此类触摸系统中，实现低功耗、高信噪比和强抗干扰能力成为更具挑战性的权衡问题。

为了在大寄生电容和显示相关干扰条件下维持检测信噪比，触摸系统通常通过增加有效激励能量或利用编码增益来增强触摸引起的感应信号。典型方法包括增加激励幅度VTX[7]，[8]，[9]，采用带有时间积分的重复激励[10]，[11]，[12]，以及采用并行驱动方法（PDM）[13]，[14]，[15]。然而，这些方法以不同方式增加了系统激励负担：增加VTX增大了每次激励事件中转储的电荷量，重复积分增加了激励操作次数，PDM增加了同时驱动的TX电极数量。这些因素共同增加了TX驱动模块的能耗，使其成为触摸系统中主要的功耗模块之一。同时，由静态互电容（CM）产生的基线感应电荷也会随更强的激励而增加，压缩了读出电路的可用输出摆幅，并增加了饱和风险。

在TX端，先前的工作[16]通过利用外部电容进行电荷回收产生阶梯激励信号来降低驱动功耗。该方法可以减少TX驱动能量，但它依赖于片外储能电容和专用的波形生成时序。此外，该阶梯激励方案通过解调在RX端接收的有效基波分量来恢复触摸信号，使得信号恢复易受阶梯电压精度和有效分量强度的影响。因此，在不引入额外电荷回收电容的情况下降低TX驱动能量，同时保留有效的触摸感应信号，是低功耗触摸AFE设计中的关键问题。

在RX端，为了充分利用读出动态范围来检测触摸引起的有效电容变化，先前的工作提出了电流域抵消技术来抑制不携带触摸信息的基线相关感应分量。具体来说，文献[17]采用由电流镜和开关组成的电流减法电路来消除触摸屏面板引入的过电流，而文献[18]提出了一种电流驱动失调补偿器来补偿基线电容相关分量。然而，这些方案依赖于有源电流镜或电流源阵列；因此，高精度补偿不仅带来较大的面积开销，还引入了显著的热噪声和闪烁噪声。因此，RX通路需要一种低噪声、低开销的基线抵消机制来减少基线电荷对输出摆幅的占用，释放可用的动态范围。

针对大面积、多通道电容式触摸面板中高信噪比检测带来的高TX驱动功耗和RX动态范围限制问题，本文提出了一种寄生电容耦合驱动（PCCD）方法和一种具有高动态范围的触摸感应AFE，具备电荷域基线抵消功能。所提出的驱动方案利用TSP中固有的寄生电容进行能量复用，使TX驱动在不引入额外电荷回收电容的情况下高效运行。对于本工作使用的H4驱动示例，在匹配电容和完全建立条件下，高压TX驱动器能量的理想降幅为37.5%。在接收通路中，开关电容失调补偿器（OC）在数字化之前执行电荷域基线抵消。通过在OC分辨率范围内补偿与CM相关的基线感应电荷，减少了CA输出摆幅中基线分量的占用，为触摸引起的电容变化ΔCM留出了更多可用的输出范围。

本文其余部分安排如下：第2节描述了寄生电容耦合驱动方法的节能原理、实现和性能分析。第3节介绍了触摸感应读出电路的整体架构和低噪声电荷域基线抵消机制。第4节展示了采用130nm高压BCD工艺制造的AFE的测量结果。最后，第5节对本文进行了总结。

章节摘要——寄生电容耦合驱动方法：在互电容触摸传感器IC中，激励信号发生器通常是主要的功耗模块之一，因为它反复对TSP TX电极相关的寄生电容进行充放电。触摸系统对高信噪比的需求通常需要通过增加激励信号幅度、累积多次积分或采用PDM来增强激励信号功率。同时，对高扫描帧率的需求进一步

整体架构：模拟前端的系统级架构如图4所示。在发送端，高压激励发生器阵列驱动TSP TX电极，而电极开关配置PCCD所需的本地TX耦合路径。数字控制模块提供用于TX激励和读出解调的驱动矩阵编码，并生成配置PCCD所用电极开关的TX耦合控制字。在接收端，在捕获

测量结果：所提出的AFE采用130nm高压BCD工艺制造，占用有源面积为3.6mm2，其芯片显微照片如图9所示。测量平台采用了一块8英寸商用TSP，利用12（TX）×21（RX）通道。该TSP具有多层堆叠，总厚度为1.85mm，其中顶层盖板玻璃和OCA层厚度分别为0.7mm和175μm。完整的硬件测量设置如图10所示。

互电容

结论：本文提出了一种面向高度集成TSP的节能触摸感应IFE。通过基于电荷重新分配的PCCD，利用TSP TX电极固有的寄生电容生成触摸激励信号以实现能量回收，获得了一种无需额外电荷回收电容的多通道高压驱动节能方案。所提出的读出电路架构消除了动态范围带来的

致谢

竞争利益声明：作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

作者：Peng Chenkai, Ren Hanshuang, Zhu Chenglong, Shen Leichao, Chen Jiale, Yi Kaichen, Wang Haochuan, Hong Hui, Su Guodong

单位：杭州电子科技大学 教育部射频电路与系统重点实验室，浙江省杭州市钱塘区2号大街1158号，邮编310018