加强触控模组与面板同步 克服杂讯干扰问题

核心提示：智能手机薄型化设计，使得触控面板控制器容易受到显示器产生的杂讯干扰。为解决此一问题，触控芯片开发商已着手改良触控传感器设计，并加强触控模组与LCD面板运作频率的同步化。目前新的设计方桉，已获得In-cell内嵌式电容式触摸屏开发商导入。

　　显示器产生的杂讯会干扰电容式触摸屏的感测功能，要进一步改善就须了解液晶显示（LCD）技术的基本原理及杂讯产生的原因，方能找出因应之道。

　　首先须整理出现今市面上有哪些种类的显示器，如主动矩阵有机发光二极体（AMOLED）、薄膜电晶体（TFT）LCD等智能手机常用方桉。一般来说，AMOLED的画质较佳，对触控芯片产生的杂讯干扰也少于LCD，但AMOLED面板较昂贵，制造难度也高于LCD；因此，LCD至今仍主宰整个市场。由于LCD显示器是最受欢迎的技术，但产生的杂讯也最多，因此本文将把焦点放在LCD。

　　触控薄型化加剧LCD杂讯

　　为了解LCD何以产生杂讯，须掌握LCD基本运作原理。如图1所示，从LCD显示器的最底层开始，光线在此产生后再朝上反射，每个画素含有红、绿、蓝三个子画素，每个子画素又包含一个液晶叠层（Sandwich），叠层顶部则贴合氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜，其顶层与底层中间夹着液晶材料。

　　图1 LCD与触控面板架构图

　　其中，顶层为所有子画素的共极，通常称为VCOM层；底层则专为子画素配置，称作子画素电极，当电压导通到LC叠层，液晶材料就会扭转白光的极性 （Polarity），在叠层上方的偏光板，只让特定极性的光线通过。若光线的极性与偏光板的极性一致，子画素就会达到最高亮度。若光线极性与偏光板相反，子画素的亮度就降到最低。

　　此外，每个子画素都有一层彩色滤光片（R、G、或B），其作用类似彩绘玻璃窗，藉由把电压导至三个子画素的液晶叠层，画素就能设定成任何RGB组成色。每个子画素还含有一个TFT，做为导至液晶叠层电压的on/off开关，这样的设计在刷新全屏幕影像时能有效对屏幕上的画素进行排序。

　　如图2显示，画素在TFT闸极（Gate）被开启，TFT的源极（Source）连结到彩色数字类比转换器（DAC）输出端，TFT汲极（Drain）则连结到ITO子画素电极。由于液晶材料无法承受直流（DC）电压，因此偏压必须是交流电。ACVCOM与DCVCOM两种类型的LCD显示器也有所差异，前者主要透过一个差分电压主动驱动VCOM与子画素电极，因VCOM层係由AC推动，故称为ACVCOM方桉。后者则透过DC驱动共极层，而子画素由AC 驱动，此信号以DC值为中心进行偏摆，两种VCOM方桉各有不同的效能与成本优劣势。

　　图2 LCD与触控面板电路图

　　业界都知道ACVCOM因主动驱动大面积的ITO（VCOM）层，将造成大量杂讯；DCVCOM则以低杂讯的表现为业界所熟知，然而事实不一定如此。以往传感器与LCD表面之间有一层薄的空隙（Air Gap）。但现今手机做得更薄，因此大多不再有这层空隙，将ITO传感器直接贴合到LCD表面的方式逐渐为大多数厂商采用，造成杂讯耦合更加严重。

　　更有甚之，业界当前设计方向是要求触控面板控制器能直接感测VCOM和子画素电极，也就是内嵌式（In-Cell）触控技术，此来，触摸屏与LCD控制器之间须进行同步化，才能在扫描触摸屏时免除杂讯干扰；现在大多数智能手机的LCD也逐渐淘汰ACVCOM，转用更高品质的DCVCOM与 AMOLED显示器，并朝向直接贴合或In-Cell发展，藉以降低制造成本与产品厚度。

　　LCD杂讯将耦合至触控传感器

　　至于LCD杂讯如何耦合到触摸屏传感器，主要是其电路杂讯将耦合到触摸屏电路的两个电容。第一个电容为CLC，这个电容是在子画素与VCOM表面之间形成，其间液晶材料的作用相当于一个介电质。

　　就DCVCOM显示器来说，驱动子画素的AC信号耦合到VCOM层就会变成杂讯，并传至整个面板。DCVCOM层看似是一个良好的AC接地端，因为以DC 电压维持这个节点；但事实上则会削弱杂讯，因为VCOM层是由电阻相当高的ITO制成，此处将发生第二个杂讯耦合电容的情况--CSNS。

　　CSNS在VCOM层与电容传感器之间形成，VCOM层剩馀的杂讯电压会透过CSNS耦合到电容式触摸屏传感器，并传至触控面板控制器的接脚。对ACVCOM显示器而言，由于以AC波型驱动VCOM，因此LCD杂讯也会透过CSNS直接耦合到触摸屏传感器。

　　量测与分析LCD杂讯的方法相当简单，可用一个导电金属连结到示波器探棒，或采用一片面朝下的铜片，然后直接覆盖在显示器的表面（不要附加触摸屏传感器）。另外也可用大铜板或一片铜带，但要注意杂讯强度会随着导体尺寸缩小而降低，因此最好覆盖整个表面，藉以把示波器的耦合误差减至最小。

　　图3显示撷取到的ACVCOM信号波形，其中通常含有一个高强度基频，其波形接近方波。ACVCOM运作频率一般介于5k~25kHz之间，通常基频频率会对应到LCD每列画素更新（扫描线频率）的速度。

　　图3 ACVCOM显示器耦合杂讯与时间关系图

　　图4则显示实际撷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形类似数个尖锐的高频脉冲，没有类似ACVCOM的高强度基频，但其谐波量可轻易冲高到 50k~300kHz，短暂的脉冲对应到子画素电极驱动信号。DCVCOM杂讯的特性和显示影像有高度相依性，最糟状况的影像通常是整个屏幕上以棋盘状排列的黑白交错画素（看起来接近灰色）；但是在分析DCVCOM显示器特性之前，请务必测试多种不同影像。

　　图4 DCVCOM显示器耦合杂讯电压与时间关系图

降低LCD杂讯　触控IC商祭出五大招

　　设计者要确实降低影响触控面板控制器的显示杂讯，可利用几种方法，包括削减杂讯强度、避开杂讯的频率、导入数字滤波器、改良触控传感器设计或加强触摸屏与LCD面板的同步化。

　　一般来说，设计工程师可以用一层强固的ITO覆盖住整个显示器，此遮蔽层置放于显示器与触控面板传感器之间，直接连结电路接地端，因此显示杂讯会直接传到接地端而不是触控面板控制器。遮蔽层在减少杂讯方面通常效率颇高，不过，由于会增加触控面板制造成本，加上会减少面板的透光度使影像品质略受影响，因此较不受业者青睐。

　　相形之下，挑选适合的运作频率，让触控控制器的频率不同于LCD杂讯频率则是最佳选项之一。对此种方法而言，导入能应付大量尖峰杂讯的触控控制器，并且避免触摸屏感测电路过度饱和，有助达成降杂讯的目标。

　　此外，窄频接收器有助于配合杂讯尖波（Spikes）进行调整，还能帮助在撷取到的波形产生快速傅立叶转换（FFT），以便了解应把触摸屏运作频率设定在哪裡，如图5显示DCVCOM时域波形的FFT。目前触控控制器制造商也以开发出许多自动工具，能帮助挑选理想的运作频率，其中许多工具能扫描触摸屏运作频率，还能同时监视杂讯。

　　图5 DCVCOM耦合杂讯与频率FFT关系图

　　此外，数字滤波器对降低杂讯亦有很大帮助。工程师有许多线性与非线性滤波器可挑选，对不同的应用各有优缺点。线性滤波器方面，传统无限脉冲响应 （Infinite Impulse Response， IIR）或有限脉冲响应（Finite Impulse Response， FIR）滤波器，虽然在降低杂讯方面表现不错，但在追踪屏幕上手指碰触点的速度会有点迟钝。

　　如今业界已针对这些滤波器进行许多改良，带来更好的手指追踪性能。其他非线性滤波器也能降低杂讯，尤其针对含有高强度但不常出现的杂讯尖波的脉冲杂讯。另外有少数滤波器能聪明的辨识LCD杂讯，并把杂讯从实际信号分离出来。含有硬体滤波器的触控控制器会为产品加分不少，因能节省杂讯处理的时间与功耗。

　　由于触控传感器对整体产品的效能而言相当重要，因此，许多新型传感器设计也纷纷朝向能降低显示杂讯的研发方向迈进。其中一种热门方桉就是曼哈顿（Manhattan），取这个名字是因为它的样式酷似纽约曼哈顿地区的街道，为完美的水平与垂直排列（图6）。

　　图6 曼哈顿触控传感器架构示意图

　　触控传感器包含发送器（TX）与接收器（RX），所有真正多点触控的传感器都能驱动TX，并在RX上接收信号。在曼哈顿传感器设计中，TX占位相当宽，位置在RX之下；RX则较窄，因为要消除寄生电容以及减少杂讯耦合。

　　总而言之，曼哈顿传感器让TX传感器能削减大部分的杂讯，且不会让杂讯传到RX，现今业界均采用许多精密的曼哈顿衍生技术。

　　In-cell实现触控面板与LCD同步化

　　最后，触控面板与LCD之间的同步化，亦是降低显示杂讯的选项之一。事实上，这绝对须仰赖In-Cell设计才能实现。触控面板控制器要进行同步化，可透过监看LCD驱动器的水平与垂直同步信号，分别名为HSYNC（Horizontal Synchronization）与VSYNC（Vertical Synchronization），进一步与LCD面板同步。

　　值得注意的是，在ACVCOM解决方桉中，有些触控面板控制器能直接从触摸屏传感器挑出杂讯，随即开始扫描，不须藉由监看LCD驱动器的HSYNC与VSYNC信号；此种ACVCOM的同步化相当直接，因为基频强度很高且频率很低。

　　相形之下，DCVCOM就比较困难，因为杂讯频率较高，触控面板控制器的扫描与静止期之间需要精准的时序调整。

　　随着手机做得愈来愈薄，触控面板控制器会暴露在更多的显示杂讯下，这是因为显示器与触摸屏传感器之间有更紧密结合的电容耦合，促使各界更专注于显示器如何运作，显示杂讯究竟来自哪裡，如何量测显示杂讯，以及有哪些降低显示杂讯的选项。