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