가전제품에 커패시티브 터치 센싱 도입
가전 제품 구입 시 가장 중요한 요소 중 하나는 제품의 디자인과 하이엔드 기능 지원 여부이다. 설계자는
오늘날 고도로 통합된 시스템 온 칩(SoC) 프로세서와 함께 커패시티브 센싱을 기반으로 한 새로운 UI는
물론, 시스템 비용을 낮추고 보드 공간을 절약하기 위한 다른 시스템 기능도 통합하고 있다.
SoC는 시스템 구축에 필요한 많은 구성 요소가 같은 실리콘에서 사용되므로 제품을 시장에 빠르게 공급하는 데 도움을 준다. 또, 여러 디바이스들을 인터페이스하는 데 필요한 시간과 오류에 대한 디버깅이 대폭 줄어든다.
그림 1은 인덕션 쿠커(Induction Cooker)의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이러한 가전제품은 다음과 같은 몇 가지 주요 기능을 제공해야 한다.
· 팬 온도 유지 : 가열 코일의 점화 기간을 설정하기 위해 펄스 폭 변조(PWM)가 필요하다
· 팬 제어 : 팬 모터를 구동하기 위해 온도 센서 및 PWM이 필요하다
· 오버 전류 및 전압 보호 : ADC와 비교기가 필요하다
· 팬 자동 감지 : 인덕션 센싱이 필요하다
· 시간 기반의 요리 기능 : 실시간 클록(RTC)이 필요하다
· 사용자 인터페이스-디스플레이 : LED 세그먼트 또는 LCD 유리 디스플레이를 위한 드라이버가 필요하다
· 사용자 인터페이스-버튼 : 커패시티브(정전식) 터치 센싱 및 감지 기능이 필요하다
커패시티브 센싱
커패시티브(정전식) 센싱 기반의 버튼은 가전제품에 세련된 모습을 제공하고 마모를 없애므로, 기계식 버튼에 따라 가전제품에 원하는 기술을 적용할 수 있도록 해준다. 대부분의 가전제품은 액체 근처에서 사용되므로, 실행 오류를 방지하기 위한 방수 기능이 필요하다. 그림 2는 커패시티브 센서 인쇄회로기판(PCB)의 전형적인 레이아웃을 나타낸 것이다. 접지 센서 주변의 해치 패턴을 연결하는 대신, 방수는 실드 전극에 연결하여 사용할 수 있다.
이 전극은 센서에 연결된 동일한 신호로 구동된다. 따라서 물방울이 센서에 떨어질 때 해치 패턴과 센서 사이에 전위차가 없으므로 추가적인 커패시턴스가 센서에 결합되지 않으며, 그로 인해 방수 기능을 달성할 수 있다. 센서가 물에 완전히 침수되어 있을 경우, 가드 센서(Guard Sensor)는 센서를 비활성화하기 위해 활성화된다.
많은 가전제품은 큰 전류로 작동하므로 전원공급장치는 통상 커패시티브 센서와 결합하며, UI의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 부하 전류 및 디지털 스위칭에서의 변화로 인해 상당한 노이즈/파문(Ripple)을 동반한다.
적절한 설계도와 레이아웃 가이드라인을 따름으로써, 전원공급장치에서의 Ripple은 그라운드 바운싱을 없애기 위한 그라운드 트레이스 설계 등과 같은 기술로 줄어들 수 있다. 그러나 이것으로 노이즈를 완전히 제거하는 것은 매우 어려운 일이다. 만약 레퍼런스가 전원공급장치의 ＋ve 라인에서 구동될 경우, 커패시티브 센싱에서 허위 알람의 원인이 될 수도 있다.
GND와 VREF(내부적으로 생성) 사이의 센서를 바꿈에 따라, 전원공급장치의 어떠한 변화도 디바이스의 지정된 작동 한도 내에서 전달되는 허위 트리거를 발생시키지 않을 것이다.
그림 3은 넌-오버래핑(Non-overlapping) 클록 Sw1과 Sw2를 사용하여, 통합 커패시터(Cmod) 전압과 GND 사이를 전환하는 센서 커패시턴스와 함께 기술을 구현한 것이다. 이 회로에서 비교기의 출력은 플립플롭뿐만 아니라 Vref와 같은 Cmod에서 전압을 유지하기 위해, 전류 소스의 변조를 통해 타이머에 대한 활성 시그널(Enable Signal)로서의 역할을 담당한다. 입력에서의 모든 시그널은 클록 사이클의 n 넘버에 대해 통합되므로(n은 해상도에 따라 결정) 이러한 기술의 통합 효과로 인해 어떠한 고주파 노이즈라도 입력 평균치 밖으로 결합한다.
높은 통합 기능, 저렴한 비용
SoC는 설계자가 가전제품의 모든 기능을 구현할 수 있도록 온 칩 주변기기 및 하드웨어 기반 기능을 통합하고 있다. 예를 들어 그림 4는 SoC를 이용한(이 경우 싸이프레스의 CY8C28645) 커패시턴스 센싱 기능을 가진 인덕션 쿠커 설계의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
싸이프레스의 CY8C28645는 사용자의 터치에 더 빨리 대응하기 위해 동시에 두 개의 센서를 스캔할 수 있는 전용 하드웨어와 듀얼 채널을 갖고 있다. 이로 인해 CPU로부터 프로세싱을 오프로드 하므로 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있다.
요즘과 같이 풍부한 기능이 요구되며 경쟁이 치열한 소비자 전자제품 시장에 있어서, 통합 SoC는 전체의 시스템 비용을 통합하고 낮추기 위해 점점 더 많은 애플리케이션 기능을 허용함으로써 OEM 업체를 위한 최고의 선택이 되고 있다. 이와 같은 방법은 인덕션 쿠커나 전자레인지 등의 소형 전자제품뿐만 아니라 세탁기, 냉장고와 같은 대형 가전제품(큰 제품들은 FOC 모터 컨트롤과 같이 특정 기능을 위한 전용 컨트롤이 여전히 필요할 수도 있다)에서 채택되고 있다.
Pushek Madaan, Sachin Gupta Cypress Semiconductor Corp.
