1 應(yīng)用簡報(bào)

使用電感式傳感器取代機(jī)械開關(guān)

長期以來，鍵盤和按鈕應(yīng)用一直采用機(jī)械開關(guān)來實(shí)現(xiàn)；機(jī)械開關(guān)通過使電觸頭碰到一起，（有望）建立低阻抗連接。

在臟亂的環(huán)境（例如沙礫、油或水）下，可能需要使用特殊的外殼、墊圈或其他接頭，以避免過早失效，進(jìn)而出現(xiàn)故障，導(dǎo)致過早出現(xiàn)開關(guān)故障。雖然可以實(shí)現(xiàn)抗污染且穩(wěn)健的密封型機(jī)械開關(guān)，但是成本會更高，有時(shí)還需要采用特殊的材料，而這會進(jìn)一步增加成本。

各種開關(guān)參數(shù)會因?yàn)殚_關(guān)的使用和各種環(huán)境因素而發(fā)生變化，這些變化會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，或者至少會給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來額外的負(fù)擔(dān)，即需要進(jìn)行監(jiān)控，并在參數(shù)超出可接受范圍時(shí)更換開關(guān)。

基于觸摸屏的鍵盤還容易因?yàn)槲酃?、油污及其他污物等環(huán)境因素、手指臟污或用戶佩戴手套而發(fā)生故障。

電感式感應(yīng)開關(guān) - 概述

基于電感式感應(yīng) (LDC) 的按鈕開關(guān)基本沒有這些缺點(diǎn)。這類開關(guān)穩(wěn)定可靠，不會因?yàn)橹貜?fù)性運(yùn)動磨損而不可避免地出現(xiàn)與活動零件及觸點(diǎn)磨損相關(guān)的故障。它們可以在無開孔的密封鍵盤中輕松實(shí)施，不受污染干擾，甚至能夠在水下保持穩(wěn)定。它們可以采用寬大的外形尺寸（以支持用戶佩戴手套操作）或適合空間受限應(yīng)用的較小外形尺寸。

一些設(shè)備和設(shè)計(jì)還能支持多級按鈕，另一些擁有內(nèi)部算法，可管理多種按鈕按壓操作以及外殼和/或鍵盤導(dǎo)致的機(jī)械失真，從而無需微控制器即可實(shí)現(xiàn)這些功能。

電感式觸摸按鈕可以采用以下三個(gè)主要組件來輕松實(shí)施：電感式傳感器、目標(biāo)表面以及電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (LDC)。傳感器通?？梢圆捎没?PCB 或柔性電路的線圈來實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)表面應(yīng)該是柔性導(dǎo)電材料，例如厚度足以支持趨膚效應(yīng)渦流的薄金屬。

圖 1-1 電感式觸控組件

當(dāng)目標(biāo)表面受力時(shí)，材料會稍稍偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電感式傳感器和目標(biāo)表面之間的距離 (D_TARGET) 縮短。導(dǎo)體發(fā)生偏轉(zhuǎn)會導(dǎo)致傳感器電感值 L(d) 減小，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器諧振頻率增加，而這由 LDC 進(jìn)行檢測。在目標(biāo)偏轉(zhuǎn)示例中，如果目標(biāo)材料為厚度為 1mm 的 430 不銹鋼，直徑為 20mm 的按鈕將會發(fā)生約 0.1μm 的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)力撤除后，該按鈕表面會恢復(fù)其原始形狀。

電感式感應(yīng)開關(guān) - 靈敏度

影響電感式觸摸按鈕靈敏度的主要因素包括目標(biāo)材料與厚度、目標(biāo)距離以及傳感器尺寸。按鈕靈敏度由需施加到目標(biāo)導(dǎo)電表面，以觸發(fā)所需 LDC 響應(yīng)的力來定義。

目標(biāo)材料

電導(dǎo)率 (σ) 越高的材料越適合應(yīng)用電感式感應(yīng)技術(shù)。在目標(biāo)表面上產(chǎn)生的渦流大小與目標(biāo)材料的電導(dǎo)率 (σ) 直接相關(guān)。電導(dǎo)率較高的材料（例如銅、鋁或銀）是電感式觸摸按鈕的優(yōu)選目標(biāo)。可以在塑料等非導(dǎo)電材料上增加薄薄一層導(dǎo)電材料，來為按鈕應(yīng)用制作有效的目標(biāo)表面。圖 1-2 通過傳感器移頻（由 LDC 檢測）對目標(biāo)材料和傳感器頻率（影響趨膚效應(yīng)）的依賴關(guān)系，展示了 LDC 對材料導(dǎo)電性的靈敏度。LDC 目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊提供了額外的詳細(xì)信息，而通過基于電子表格的 LDC 檢測設(shè)計(jì)計(jì)算器工具，您可以計(jì)算目標(biāo)電導(dǎo)率和厚度的影響并進(jìn)行建模。

圖 1-2 目標(biāo)感應(yīng)移頻與標(biāo)稱傳感器頻率之間的關(guān)系

對目標(biāo)表面施加一定的力所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)與材料的抗拉強(qiáng)度和厚度成反比。與較厚或剛性較高的材料相比，較薄或剛性較低的材料所需的力較小。借助前文提到的電子表格工具，可以對此進(jìn)行建模。

目標(biāo)距離 (D_TARGET) 和傳感器尺寸

如前所述，電感式感應(yīng)開關(guān)依靠的是與電感式傳感器產(chǎn)生的電磁場的相互作用。電磁場線與傳感器直徑成正比，而它們在目標(biāo)表面上產(chǎn)生的渦流會隨著 D_TARGET 增加而減小。

圖 1-3 展示了開關(guān)靈敏度對目標(biāo)距離的依賴關(guān)系，因?yàn)樗c傳感器直徑有關(guān)。如圖所示，當(dāng) D_TARGET 位于傳感器線圈直徑的 20% 范圍內(nèi)時(shí)，開關(guān)靈敏度最出色。

圖 1-3 顯示了按鈕靈敏度與 D_TARGET 之間的關(guān)系。

高分辨率 LDC 中面向按鈕的特性

由于 LDC 具有高分辨率，因此即便是在目標(biāo)的偏轉(zhuǎn)或移動很小時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的電感式開關(guān)設(shè)計(jì)。例如，在采用 0.2mm 鋁材料的 3mm x 10mm 小按鈕中，當(dāng)施加大小 1.5N 的力時(shí)，產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)為 1.9μm。這個(gè)相對較小的位移會導(dǎo)致下方 LC 電路的諧振頻率發(fā)生 1000ppm 的變化（或者傳感器的電感發(fā)生 2000ppm 的變化），而這個(gè)變化可由 LDC3114 等器件輕松檢測到。

如前所述，基于 LDC 的開關(guān)的主要優(yōu)勢之一是能夠輕松地密封開關(guān)組件，因此它們不受溫度、潮濕、臟污及其他污物的影響。它們還能夠承受掉落或開關(guān)外殼凹陷而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。

電感開關(guān)隨溫度而發(fā)生的變化可以通過 LDC 的基線跟蹤算法來適應(yīng)，如圖 1-4 所示。總而言之，基線跟蹤可以提供按鈕輸入信號的高通濾波版本。LDC3114 或 LDC2114 通過從用戶交互驅(qū)動的輸出代碼（通過 50ms 典型時(shí)間跨度）減去輸出代碼的緩慢變化版本（幾秒內(nèi)的變化）來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。有關(guān)更多信息，請參閱相應(yīng)的器件數(shù)據(jù)表或 LDC211x 和 LDC3114 內(nèi)部算法功能 應(yīng)用手冊。

圖 1-4 基線跟蹤功能關(guān)閉和打開情況下的按鈕按壓響應(yīng)

通過比較圖 1-4 的曲線圖展示了基線跟蹤功能的影響。頂部曲線圖顯示了因按鈕誤按而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)輸出變化情況（可能是溫度變化導(dǎo)致的）。底部曲線圖（基線跟蹤啟用時(shí)）顯示了如何從瞬時(shí)輸出數(shù)據(jù)中減去緩慢變化的輸出代碼跟蹤數(shù)據(jù)，來防止出現(xiàn)錯誤的按鈕按下操作。

LDC3114 或 LDC2114 基線跟蹤功能可以通過內(nèi)部寄存器設(shè)置來針對正常功耗模式或低功耗模式進(jìn)行優(yōu)化。

按鈕靈敏度

LDC 按鈕靈敏度可以通過器件 GAINn 寄存器中的 64 級增益系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過它，可以對各個(gè)按鈕進(jìn)行靈敏度增強(qiáng)，從而確保不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間具有一致的行為。應(yīng)用所需的增益主要由各個(gè)按鈕的機(jī)械剛度決定。

按鈕觸發(fā)閾值

在變形后恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)，每種目標(biāo)材料都會表現(xiàn)出一定的遲滯。遲滯大小取決于材料屬性以及尺寸和厚度等物理參數(shù)。此功能會根據(jù)不同材料和各種按鈕形狀與尺寸來優(yōu)化按鈕信號閾值的遲滯。

減少按鈕操作誤檢

LDC3114 具有數(shù)字 OUTx 引腳，用于獨(dú)立于 I²C 接口來指示按鈕活動，因此在初始設(shè)置后，LDC3114 可以獨(dú)立于微控制器工作。LDC3114 或 LDC2114 電感式開關(guān)無需外部微控制器干預(yù)，即可支持減少按鈕操作誤檢和多次按鈕按壓的功能。這些功能的詳細(xì)介紹可在 LDC211x 和 LDC3114 內(nèi)部算法功能 應(yīng)用手冊中找到，下文提供了功能描述總結(jié)：

可以在各個(gè)按鈕上實(shí)現(xiàn) Anti-Common 功能來消除誤檢情況，即用戶按下兩個(gè)或更多按鈕的中間，進(jìn)而導(dǎo)致多個(gè)按鈕出現(xiàn)共模響應(yīng)的情況。

Max-Win 功能則讓系統(tǒng)能夠在多個(gè)按鈕被同時(shí)按下時(shí)選擇按下力度最大的按鈕。當(dāng)兩個(gè)按鈕靠得很近時(shí)，便可能會發(fā)生類似這樣的情形，按下其中一個(gè)按鈕會導(dǎo)致另一個(gè)按鈕出現(xiàn)殘留反應(yīng)?？梢詾楦鱾€(gè)按鈕分別啟用 Max-Win 功能。

Anti-Twist 算法可減少外殼扭曲時(shí)出現(xiàn)誤檢的可能性。外殼扭矩可能導(dǎo)致按鈕出現(xiàn)意外機(jī)械激活，或者兩個(gè)相鄰按鈕出現(xiàn)相反反應(yīng)。啟用此算法時(shí)，如果根據(jù)可配置的閾值得出任何按鈕上的輸出數(shù)據(jù)為負(fù)值，則會抑制對按鈕按壓的檢測。

Anti-Deform 功能會濾除一個(gè)或多個(gè)按鈕附近金屬變形導(dǎo)致的變化。此類金屬變形可能由按下沒有充分機(jī)械隔離的相鄰按鈕而意外導(dǎo)致。

總結(jié)和器件建議

通過采用基于電感式傳感器的開關(guān)，可以輕松克服環(huán)境污染和磨損導(dǎo)致的機(jī)械開關(guān)故障。如果您的系統(tǒng)會因采用低功耗、低電壓、高分辨率電感式開關(guān)而受益，那么 LDC3114 或 LDC2114 會是不錯的選擇。如果您的系統(tǒng)要求使用電壓較高、分辨率較低的開關(guān)，那么也可以將 LDC161X 系列器件用作電感式開關(guān)。有關(guān)更多信息，請參閱電感式感應(yīng)觸控金屬按鈕設(shè)計(jì)指南。