智能手机键盘控制器的一种实现方法

智能手机的大脑是基带处理器(Baseband)，内置微型处理器和专用信号处理威廉希尔官方网站 。依靠基带控制器的先进设计，通用输入/输出口(GPIO)可用来实现按键开关功能。

目前，专用键盘控制器IC已广泛用于智能手机。这些专用键盘控制器之所以排上用场，原因在于基带芯片的GPIO资源非常有限。比如，有时为了节约成本，用户将本来用于功能电话的基带芯片应用到了智能手机的设计；有时则是为了减少基带控制器与键盘之间的连接线数量，特别是对于滑盖手机，基带处理器和键盘分布在不同的PCB上。键盘控制器通常由I²C总线或SPI总线连接到基带处理器。

键盘控制器的功能可用现有的GPIO芯片或使用传统的按键扫描微型单片机实现。一些专有的键盘控制器也采用传统的按键扫描方式。这篇应用笔记则对传统的按键扫描和低EMI按键扫描方案进行了比较，并列举了省去EMI滤波器件带来的益处。

图1所示是传统的按键扫描方案，基带处理器的GPIO键盘控制或某些专用的键盘控制器都采取了这个方式。有些GPIO引脚设计成“列”输出端口，驱动开关矩阵；有些GPIO引脚设计成“行”输入端口，检测按键开关的闭合。通常，没有按键按下时，每个按键上都没有电压。一旦某个按键按下，键盘控制器开始扫描所有的按键。扫描动作通过逐渐升高“列”电压的同时，来轮询监测每“行”的输入电平。一个8 x 8的开关矩阵可经过64个时钟周期完成一遍扫描。时钟频率的范围可以设定在几十kHz到几MHz之间，“列”输出电平在系统的逻辑高和逻辑低之间切换。依据键盘控制器的供电电压，逻辑高电平可以从1.8V到3.3V变化。

 

图1. 传统键盘扫描威廉希尔官方网站 。

因为“列”扫描信号的突然上升和下降造成的电磁辐射可能会影响EMI测试，尤其是那些基带处理器GPIO与键盘之间有较长布线的设计。通常，在“列”输出端口需要EMI滤波器件来降低EMI辐射。EMI滤波器可以是一级RC滤波或者二级CRC低通滤波(见图2a和2b)。EMI滤波可以使用分立的无源器件，也可使用小尺寸TDFN/CSP封装的EMI滤波器。这显然会增加成本并占用空间。

 

图2a和2b. EMI滤波器。

Maxim的键盘控制器，如MAX7347/MAX7348/MAX7349、MAX7359和MAX7360采用一种独特的无源扫描方式，利用电流源驱动开关矩阵，并通过检测电流来检测按键动作。图3说明了无源按键扫描的工作原理。一旦按下一个按键，控制器便开始扫描所有按键。扫描时，在所有“列”端口施加电压约为0.5V的恒流源，控制器监测流过依次使能的每“行”电流。因为每一时刻只有一“列”检测到电流流过，所以，对于一个8 x 8开关矩阵，这种无源扫描方式也需要经过64个时钟周期完成扫描。在按键扫描期间，所有“列”电压都是静态的0.5V (有按键按下的列除外)，在其对应的“行”端口处于扫描期间，该“列”电压降低到0V。

 

图3. Maxim的低EMI键盘扫描架构。

每“列”端口是由大约20µA的恒流源驱动，“行”、“列”端口只在开关接触的很短时间消耗电流。因此，与传统扫描方式相比，无源扫描因电压高、低电平变化驱动容性和阻性负载产生的功耗大大降低。

1.8V供电时，用0.5V电压摆幅替代满幅度(1.8V)驱动，可有效降低电磁辐射(降低11dB)。此外，低EMI键盘扫描架构中更低的扫描频率也能帮助降低电磁辐射水平。图4是传统方案和低EMI方案的功率频谱密度(PSD)仿真图。测试基于1MHz时钟频率，供电电压1.8V，上升/下降时间0.2µs，蓝色曲线代表传统方案，绿色曲线代表低EMI方案。仿真结果表明，Maxim低EMI方案的PSD降低15dB。总之，低EMI方案的电磁辐射相比较传统方式下降15dB。鉴于如此优异的辐射指标，可以省去EMI滤波器。

 

图4. 键盘扫描PSD仿真，蓝色曲线代表传统方案，绿色曲线代表Maxim的无源扫描方案。

图5是MAX7359键盘控制器的波形，深蓝色波形(通道1)为“列”端口波形，淡蓝色波形(通道2)为“行”端口波形。该“行”和“列”交叉的那个按键在大约第26ms时候按下。经过约2ms的延时，键盘控制器被唤醒。控制器将“列”端口变成电流源，电压变为大约0.5V，并开始扫描。在确认一个按键依然被按下或者按键被释放前，它会按设定的去抖时间扫描2次。每对临近的扫描脉冲，右边为初始扫描，左边是第二次的去抖扫描。

 

图5. 通道1代表MAX7359“列”端口电压，通道2代表MAX7359“行”端口电压。

连接到键盘的所有端口都暴露在ESD之下，有时需要达到15KV，因此需要静电保护。MAX7347、MAX7348和MAX7359内置±2kV ESD保护，MAX7360内置±8kV ESD保护。外部ESD二极管用来配合内部保护威廉希尔官方网站 ，共同提升防静电等级。但ESD二极管增加了端口容性负载。

通过用互不相同的“按键按下”和“按键释放”编码，控制器可以识别同时发生的多个“按键按下”事件以及他们的顺序。但是，在相应的“行”“列”端口，容性负载会成倍增加。每个“列”端口由一个20µA、±30%的电流源驱动。施加在“行”端口输出晶体管栅极的正脉冲，将每“行”端口下拉到地。当“行”端口处在地电位时，某“列”端口因为按键闭合而连通，也被下拉到地，由此检测到一个按键按下的动作。

正脉冲施加在“行”端口输出晶体管栅极，并在稍后在开关的闭合点会有一个放电和充电过程。紧随正脉冲之后，开关闭合点快速从0.5V放电到0。当正脉冲消失，开关闭合点又被充电到0.5V，基于下面公式：

这里C是开关闭合点的总电容。对一个pF级电容，需要经过 的时间达到0.5V。扫描周期大约为。

实际应用威廉希尔官方网站 中，“行”、“列”端口电容，包括外加的ESD保护二极管，都参与到充电过程。充电时间长于扫描周期时，有可能发生错误的“按键按下”检测。被误检的按键是当前这个被按下的“列”与紧随的下一个“行”扫描交叉的那个按键。

为了限制充电时间少于13µs同时预留2.625µs进行按键检测，并考虑电流源30%的误差，根据下式，总电容应该小于364pF：

每个端口的电容，包括外置ESD二极管引入的电容，应该少于C_port = C_total/3 = 121pF，假设有两个按键，shift和一个常用键被按下。上面的计算考虑了2行和1列端口的电容。当端口电容为20pF时，允许外置电容是101pF。

上述计算方法只适用于被按下的按键属于同一“列”的情况。对于经常会同时按下键，如shift键，可以通过将其定义在独立的“行”、“列”端口来避免端口叠加过多电容的问题。对于每“列”端口单独按下的按键，端口允许的电容是：C_port = C_total/2 = 182pF。每个端口的电容是20pF，因此，外部器件的电容可以达到162pF。

低EMI键盘控制器方案已经在智能手机应用中普遍得到认可，相比传统的键盘扫描方案，可以省去EMI滤波器。使用低EMI开关控制器能提升系统的整体性能并降低成本。负载电容的估算也适用于绝大多数手机硬件的键盘威廉希尔官方网站 。但要避免使用负载电容很大的ESD外围器件。