专利名称：一种电容式触摸屏检测电路及其升压电路的制作方法
一种电容式触摸屏检测电路及其升压电路本发明涉及触摸技术，尤其涉及一种电容式触摸屏检测电路及其升压电路。[背景技术]上世纪七十年代，美国军方首次将触摸屏(Touch Panel)技术应用于军事用途，此 后，该项技术逐渐向民用移转，并且随着网络技术的发展和互联网应用的普及，新一代触摸 技术和产品相继出现，其坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点得到大众 的认同。目前，这种最为轻松的人机交互技术已经被推向众多领域，除了应用于个人便携式 信息产品(如使用手写输入技术的PC、PDA、AV等)之外，应用领域遍及信息家电、公共信息 (如电子政务、银行、医院、电力等部门的业务查询等)、电子游戏、通讯设备、办公室自动化 设备、信息收集设备及工业设备等等。随着手机、电脑等消费类电子的快速发展，触摸技术越来越受到人们的重视，应用 领域越来越广，它已经成了继键盘、鼠标、手写板、语音输入后最为普通百姓所易接受的输 入方式。因为利用这种技术，用户只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字就 能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术极大方便了用户，非常适合多 媒体信息查询。同时，这种人机交互方式赋予了多媒体崭新的面貌，是极富吸引力的全新多 媒体交互设备。其中，电容式触摸设备由于能够实现多点触摸，可以实现更多特色的功能， 并且无需发生物理形变，从而寿命更长、触感更好，近来成为触摸设备市场上的新秀，未来 发展前景十分广阔。如
图1所示，电容式触摸设备分为自电容检测和互电容检测。互电容检测，即 检测发生触摸时，不同行(列)之间耦合电容的变化，其原理是，互电容的一端接发射端 (Transmitter)，其发出扫描信号，电容另一端为接收端(Receiver)，它对扫描信号做出响 应，并计算出响应的幅度。当外界的变化导致电容值发生变化时(如被人体触摸到)，接收 端(Receiver)响应的幅度发生变化，则可以判断出对应的坐标的电容发生了变化，再交由 MCU做出处理，这就完成了检测过程。自电容检测，其原理是，触摸设备的同一行(列)的自电容(导线和地之间形成的 电容)的一端接到检测设备上，既是发射端(Transmitter)，又是接收端(Receiver)，另一 端接地。当触摸发生时，人体连到地形成的电容和触摸设备上的自电容并联，等效电容增加 了，此时接收端的收到响应电压(或电荷、时间等)发生变化，可得知这一行(列)发生了 触摸；通过全屏扫描，即可得知触摸点所在的行和列，从而得到触摸点具体坐标。为了抵抗RF等噪声干扰，提高信噪比，一个比较好的方法是提高扫描信号的电 压，而很多产品终端为了降低功耗，都采用较低电压的电源。因此，就需要使用升压电路。—个典型的升压电路如图2所示。它由低压电源、电感、肖特基二极管、电容、时序 控制电路以及输出功率管组成。PWM控制电路会发出周期性的方波，如图3中A点波形。A 点电压在高电平时，VDD的电流通过电感、MOS管流到地，且电流会逐渐上升，此时肖特基二 极管不导通。当A点电压的下降沿到来时，MOS管关闭，由于电感的存在，电流不会立即降为0，B点电压迅速升高，直至高于C点电压0. 2V以上时，肖特基二极管导通，电流流到电容上，C点输出电压升高，B点电压相应上升；同时控制电路会检测C点电压，若未超过设定电 压(VDDH)，A点维持低电平，继续给电容充电，反之则变为高电平，MOS管导通，B点电压降 为接近0，肖特基二极管关闭，C点电压由电容维持，并给负载供电，电压慢慢下降。直至下 一个周期的下降沿到来时，再重复上述过程。图3是目前市场上最流行的电容式触摸屏检测电路，这是一种互电容检测电路， 由三颗IC组成，分别是升压电路、发射端电路和接收端电路，作用分别是得到一个较高的 电压、对触摸屏发出扫描信号，和对扫描信号做出响应。其中，升压电路需要片外电感、肖特 基二极管以及电容来配合，并须要占用2个封装引脚b00St和sense。这种电容式触摸屏 检测电路的缺点是1.需要三颗IC来实现检测功能，成本较高，占用电路板面积大。2.升压电路需要电感、电容、肖特基二极管，以及2个封装引脚，片外辅助元件多。3.电感式升压电路存在EMI (电磁干扰)问题。本发明要解决的技术问题是提供一种片外辅助元件少，电磁干扰小的用于电容式 触摸屏检测电路的升压电路。本发明另一个要解决的技术问题是提供一种片外辅助元件少，电磁干扰问题小的 电容式触摸屏检测电路。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种用于电容式触摸屏检测 电路的升压电路，包括复数个串联的电荷泵、时序电路和稳压电路，所述的电荷泵包括第一 开关、第二开关、第三开关、第四开关，第一电容和第二电容；第一开关的第一端与第三开关 的第一端并接，作为电荷泵的输入端；第一开关的第二端接第二开关的第一端，第三开关的 第二端接第四开关的第一端，第一电容接在第一开关的第二端和第三开关的第二端之间； 第四开关的第二端接地，第二电容的一端接第二开关的第二端，另一端接地，第二开关的第 二端作为电荷泵的输出端；所述的开关受时序电路控制，在电荷泵工作的周期的前半周，第 一开关和第四开关闭合，第二开关和第三开关开断，在电荷泵工作的周期的后半周，第一开 关和第四开关开断，第二开关和第三开关闭合。以上所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，包括片外稳压电容，所述的 稳压电路包括低压差线性稳压器，最后一级电荷泵的输出端接低压差线性稳压器的电源 端，低压差线性稳压器的控制端接基准电压，低压差线性稳压器的输出端作为升压电路的 输出端，片外稳压电容的一端接低压差线性稳压器的输出端，另一端接地；升压电路的全部 电路元件除片外稳压电容外，全部集成在集成电路芯片内。以上所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，包括片外稳压电容，所述的 稳压电路包括电压取样电路和比较器，所述的电压取样电路的取样端接最后一级电荷泵的 输出端，比较器的信号一个输入端接电压取样电路的信号输出端，另一个信号输入端接基 准电压，比较器的输出端接时序电路的控制信号端，当最后一级电荷泵的输出电压超过设 定电压时，比较器的输出控制信号，通过时序电路关闭电荷泵；片外稳压电容的一端接最后 一级电荷泵的输出端，另一端接地，片外稳压电容兼作最后一级电荷泵的第二电容；升压电路的全部电路元件除片外稳压电容外，全部集成在集成电路芯片内。以上所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，前一级电荷泵开关的开关频 率高于后一级电荷泵开关的开关频率。一种电容式触摸屏检测电路的技术方案是，包括升压电路、扫描电路和接收电路， 升压电路为上述的升压电路，所述的升压电路、扫描电路和接收电路全部集成在集成电路 芯片内。本发明电容式触摸屏检测电路的升压电路不需要电感和肖特基二极管，所需的电 容除稳压电容外都可以集成到芯片内，可以减少片外的辅助元件，而且可以消除电感式升 压电路存在电磁干扰问题。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是现有技术自电容和互电容检测的区别特征示意图。图2是现有技术升压电路原理图。图3是现有技术升压电路的节点波形图。图4是现有技术电容式触摸屏检测电路原理图。图5是本发明实施例1电容式触摸屏检测电路的升压电路的原理图。图6是本发明实施例1电容式触摸屏检测电路的升压电路第一级电荷泵的电路时 序及电压波形图。图7是本发明实施例2电容式触摸屏检测电路的升压电路的原理图。图8是本发明实施例3电容式触摸屏检测电路IC主要引脚示意图。图9是本发明实施例4电容式触摸屏检测电路IC主要引脚示意图。在图5所示的本发明实施例1电容式触摸屏检测电路的升压电路中，升压电路采 用电荷泵(开关电容式电压变换器)取代图2中的电感式升压电路。这样做的好处是，本发 明中的电容可以集成到芯片内部，而图3中的电感则无法集成进去，或者工艺成本很高；高 压大功率的肖特基二极管也很难集成到芯片内部。一个典型的8倍电荷泵升压电路实现方 式如图4所示，主要包括时序电路、开关(M0S管)、电容以及LD0(low dropout regulator, 低压差线性稳压器)组成。电容部分，除了虚线框中的VDDH的稳压电容J以外，其它都是 内置电容。这是一个3级升压电路，理想情况下每级升压2倍，即C点电压为2XVDD，F点 电压为4XVDD，I点电压为8XVDD。当然，由于开关及走线的寄生电阻，还有负载的存在， 实际电压比上述值略低。下面以第一级电荷泵为例简要说明一下电荷泵工作原理，如图6所示的开关工作 时序及节点电压波形。当时序电路的输出为高电平，控制开关导通，0 1’为低电 平控制开关01’断开，A点和B点分别接VDD和地，A、B间的第一电容的电压被充到VDD ； 下半个周期时序电路的输出Ol为低电平，01’为高电平，开关Ol断开，开关01’导通， B点电压为VDD，则电容上极板A点电压升到2XVDD，C点第二电容的电压也充到2XVDD。 下一个周期到来时，Ol为高电平时，01’为低电平，C点靠电容维持电压。这样就得到一个稳定的2XVDD的电压。A、B、C点的电压波形如图6所示。同样，第二级电荷泵的F点以 C点电压为基础，再上升2倍，再通过第三级升压，即可得到I点的8XVDD。为了减少封装引脚和片外元件使用，升压电路都是使用片内电容。片外电容值可 以达到1PF，受面积限制，片内电容的容值一般在InF以内，这会影响到输出电压值及驱动 能力，可以通过提高开关频率以弥补电容值的不足。每级电荷泵之间开关的频率关系是，第一级开关频率是第二级开关频率的2倍， 第二级开关频率是第三级开关频率的2倍。以第一、二级为例，理想工作情况下，C点电压为 2XVDD，F点电压为4XVDD，F点的电压是C点的2倍。根据能量守恒(P = UXI)，输出端 有负载时，第一级电荷泵流出的电流是第二级的2倍，考虑到片内电容的容量相同，C点第 二电容的电压下降速度是F点第二电容的电压下降速度的2倍。C点电压的下降值，则经过 第二级电荷泵放大，使得到F点的电压下降更多，这样对升压电路最终能得到的电压不利， 会比预期值低不少。因此，要将第一级的开关频率提高，使第一级电荷泵的电容能够及时充 电，在负载作用下仍然保持较高的电压。第二级和第三级电荷泵的频率关系相同。时序电路的输出电平①和①’是不交叠时钟，它们不能同时为高电平。由于开关都不是全周期导通，稳压电容上的电压都呈锯齿状，且幅度会受负载大 小影响，比如图5中C点电压。当I点得到8XVDD电压后，需要经过一个LD0(低压差线性 稳压器)，以及一个片外电容J，以得到一个准确、稳定的电压给扫描电路作电源。最后一级 电荷泵的输出端接LD0的电源端，LD0的控制信号输入端接基准电压，LD0的输出端作为升 压电路的输出端，片外稳压电容J的一端LD0的输出端，另一端接地；升压电路的全部电路 元件除片外稳压电容外，全部集成在集成电路芯片内图7所示是本发明实施例2电容式触摸屏检测电路的升压电路，实施例2用片外 稳压电容J兼作最后一级电荷泵的第二电容，所以比图5中的用减少了一个片内电容(原I 点的第二电容)，并且在轻负载条件下，开关电容的部分时间处于停止充放的状态，可以减 小功耗。实施例2中的稳压电路包括电压取样电路和比较器，电压取样电路由电阻R1和R2 串联而成，电压取样电路的取样端接最后一级电荷泵的输出端，比较器的反相输入端接电 压取样电路电阻R1和R2的接点，即信号输出端，正相输入端接基准电压Vref，比较器的输 出端接时序电路的控制信号输入端。稳压电路对VDDH进行监测，当VDDH电压超过nXVref 时[n= (Rl+R2)/R2]，比较器输出变为0，由它控制时序电路，使得升压电路的开关信号 (0)1 0 3、01’ 0 3’ )停止输出，此时升压电路基本不消耗功耗。VDDH的稳压电容J 得不到充电电荷，而负载仍在消耗电流，于是VDDH电压开始下降，比较器输出变为1，时序 电路继续送出开关信号，VDDH又开始上升，如此反复。由于比较器增益不是无穷大，VDDH 电压将在一个很窄的范围内波动。如增益为1000，则VDDH的波动范围为1. OOlnXVref 0. 999nXVref, S卩当VDDH上升到1. OOlnXVref时，比较器输出0，升压电路停止工作，VDDH 开始下降，当降到0.999nXVref时，比较器输出变为1，升压电路又开始工作。比较器的增 益要求，由负载对电源精度的要求而定。在本实施例中，升压电路的全部电路元件除片外稳 压电容J外，全部集成在集成电路芯片内。图8和图9所示是本发明实施例3和4的电容式触摸屏检测电路。将升压电路、 扫描电路、接收电路集成到一个芯片内的互电容检测电路如图8所示，对于m列n行互电容
6触摸设备，需要m个Receiver (接收端)，n个Transmitter (发射端)。自电容检测电路如 图9所示，对于行、列共有n条的自电容触摸设备，共需要n个发射/接收端。
实施例3和4通过将升压电路、扫描电路、接收电路集成在一起，可以减少IC电 源、通讯接口间的引脚，减少封装材料，还可以减少验证、测试等工序；将升压电容内置，也 可以减少IC的引脚。
权利要求
一种用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，其特征在于，包括复数个串联的电荷泵、时序电路和稳压电路，所述的电荷泵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，第一电容和第二电容；第一开关的第一端与第三开关的第一端并接，作为电荷泵的输入端；第一开关的第二端接第二开关的第一端，第三开关的第二端接第四开关的第一端，第一电容接在第一开关的第二端和第三开关的第二端之间；第四开关的第二端接地，第二电容的一端接第二开关的第二端，另一端接地，第二开关的第二端作为电荷泵的输出端；所述的开关受时序电路控制，在电荷泵工作的周期的前半周，第一开关和第四开关闭合，第二开关和第三开关开断，在电荷泵工作的周期的后半周，第一开关和第四开关开断，第二开关和第三开关闭合。
2.根据权利要求1所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，其特征在于，包括 片外稳压电容，所述的稳压电路包括低压差线性稳压器，最后一级电荷泵的输出端接低压 差线性稳压器的电源端，低压差线性稳压器的控制端接基准电压，低压差线性稳压器的输 出端作为升压电路的输出端，片外稳压电容的一端接低压差线性稳压器的输出端，另一端 接地；升压电路的全部电路元件除片外稳压电容外，全部集成在集成电路芯片内。
3.根据权利要求1所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电路，其特征在于，包括 片外稳压电容，所述的稳压电路包括电压取样电路和比较器，所述的电压取样电路的取样 端接最后一级电荷泵的输出端，比较器的信号一个输入端接电压取样电路的信号输出端， 另一个信号输入端接基准电压，比较器的输出端接时序电路的控制信号端，当最后一级电 荷泵的输出电压超过设定电压时，比较器的输出控制信号，通过时序电路关闭电荷泵；片外 稳压电容的一端接最后一级电荷泵的输出端，另一端接地，片外稳压电容兼作最后一级电 荷泵的第二电容；升压电路的全部电路元件除片外稳压电容外，全部集成在集成电路芯片 内。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的用于电容式触摸屏检测电路的升压电 路，其特征在于，前一级电荷泵开关的开关频率高于后一级电荷泵开关的开关频率。
5.一种电容式触摸屏检测电路，包括升压电路、扫描电路和接收电路，其特征在于，升 压电路为权利要求1至4中任一权利要求所述的升压电路，所述的升压电路、扫描电路和接 收电路全部集成在集成电路芯片内。
全文摘要
本发明公开了电容式触摸屏检测电路及其升压电路，升压电路包括复数个串联的电荷泵、时序电路和稳压电路，所述的电荷泵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，第一电容和第二电容；所述的开关受时序电路控制，在电荷泵工作的周期的前半周向第一电容充电，在电荷泵工作的周期的后半周，将第一电容与电源串接后向第二电容充电以获得电源两倍的电压。本发明的升压电路不需要电感和肖特基二极管，所需的电容除稳压电容外都可以集成到芯片内，可以减少片外的辅助元件，而且可以消除电感式升压电路存在电磁干扰问题。
文档编号H02M3/07GK101840296SQ20101012643
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者刘卫平, 莫良华 申请人:敦泰科技(深圳)有限公司