加强触控模组与面板同步　触控IC克服杂讯干扰问题

智慧型手机薄型化设计，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，触控晶片开发商已着手改良触控感测器设计，并加强触控模组与LCD面板运作频率的同步化。目前新的设计方案，已获得In-cell内嵌式电容触控萤幕开发商导入。

显示器产生的杂讯会干扰电容式触控萤幕的感测功能，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等智慧型手机常用方案。一般来说，AMOLED的画质较佳，对触控晶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萤幕影像时能有效对萤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)连结到彩色数位类比转换器(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层系由AC推动，故称为ACVCOM方案。后者则透过DC驱动共极层，而子画素由AC驱动，此讯号以DC值为中心进行偏摆，两种VCOM方案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。以往感测器与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感测器直接贴合到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，触控萤幕与LCD控制器之间须进行同步化，才能在扫描触控萤幕时免除杂讯干扰；现在大多数智慧型手机的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杂讯将耦合至触控感测器
至于LCD杂讯如何耦合到触控萤幕感测器，主要是其电路杂讯将耦合到触控萤幕电路的两个电容。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讯号耦合到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层与电容感测器之间形成，VCOM层剩余的杂讯电压会透过CSNS耦合到电容式触控萤幕感测器，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直接耦合到触控萤幕感测器。

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(不要附加触控萤幕感测器)。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讯号波形，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讯号。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萤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、导入数位滤波器、改良触控感测器设计或加强触控萤幕与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感测器之间，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。 [!--empirenews.page--]

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，并且避免触控萤幕感测电路过度饱和，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)，以便了解应把触控萤幕运作频率设定在哪里，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控萤幕运作频率，还能同时监视杂讯。


图5 DCVCOM耦合杂讯与频率FFT关系图
此外，数位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，但在追踪萤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，并把杂讯从实际讯号分离出来。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。

由于触控感测器对整体产品的效能而言相当重要，因此，许多新型感测器设计也纷纷朝向能降低显示杂讯的研发方向迈进。其中一种热门方案就是曼哈顿(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 曼哈顿触控感测器架构示意图
触控感测器包含发送器(TX)与接收器(RX)，所有真正多点触控的感测器都能驱动TX，并在RX上接收讯号。在曼哈顿感测器设计中，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，曼哈顿感测器让TX感测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讯号，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解决方案中，有些触控面板控制器能直接从触控萤幕感测器挑出杂讯，随即开始扫描，不须藉由监看LCD驱动器的HSYNC与VSYNC讯号；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控萤幕感测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里，如何量测显示杂讯，以及有哪些降低显示杂讯的选项。

(本文作者任职于赛普拉斯)