本文由Hoonbae Kim（学生会员，IEEE）与Byung-Wook Min（会员，IEEE）共同完成，作者单位均为韩国延世大学（Yonsei University）电气与电子工程系。该研究发表于IEEE Sensors Journal期刊，第18卷，第9期，发表日期为2018年5月1日。

1. 研究背景与目的

本研究聚焦于触控显示技术领域中的一个前沿分支——先进内嵌式触控（Advanced In-cell Touch， AIT）屏幕面板。AIT是一种先进的显示技术，它将触控电极内嵌于显示面板内部，相比传统的“外挂式”（add-on）或“外嵌式”（on-cell）触控面板，具有更薄、成本更低、光学性能更佳以及触控灵敏度更高等优势，因而受到业界广泛关注。然而，AIT面板在带来卓越性能的同时，也引入了一个关键的挑战：显著的电磁干扰（Electromagnetic Interference， EMI）问题。

研究团队深入分析了AIT面板产生EMI的根本机制。AIT面板因其结构特性，触控电极与数据线、栅极线、触控感应线等其他信号线之间会形成巨大的寄生电容。为了克服这种结构脆弱性带来的不利影响，AIT面板普遍采用了负载自由驱动（Load Free Driving， LFD）方法。LFD的基本原理是，在触控感测期间，向面板内的所有电极（包括栅极线、数据线、其他触控电极等）施加与触控驱动信号完全同步的电压信号，从而消除寄生电容两端电势差，使其对触控信号检测的影响降至最低。尽管LFD方法成功提升了触控性能，但它也使得整个面板在触控期间几乎所有的电极同时被驱动，其行为类似于一个平面贴片天线，从而在特定频段（0.15 MHz ~ 30 MHz）辐射出强烈的电磁场。如图1所示，来自LG Display公司的7英寸AIT面板的EMI合规性测试结果显示，其辐射强度在0.15 MHz至3 MHz频段（即AM广播频段）尤为突出，这使得AIT面板难以满足车载电子设备所需的国际无线电干扰特别委员会CISPR-25标准等严格的电磁兼容性要求。

因此，本研究旨在解决AIT技术中EMI性能与触控灵敏度之间的权衡难题。研究的目标是提出一种新颖的驱动方法，在不改变AIT面板物理结构、不牺牲其优异触控性能的前提下，有效降低其工作过程中产生的电磁干扰，从而拓宽AIT技术在汽车、军事、航空等对EMI有严格要求的领域的应用前景。

2. 研究详细工作流程

本研究遵循了理论分析、仿真验证和实验验证的完整流程，逻辑清晰，层层递进。

第一步：EMI产生机制的理论建模与分析。 研究者首先对AIT面板的结构和LFD驱动方法进行了详细的等效电路建模。如图2和图3所示，研究者分析了AIT面板中寄生电容的构成，并阐述了LFD电路的工作原理。核心论点是：正是LFD这种让所有电极同步驱动的独特方式，使得整个面板成为一个高效的辐射源，其辐射频谱特性主要由驱动脉冲的波形决定。为了直观对比，研究者通过示意图（图4）比较了传统外置式触控面板（仅驱动特定电极）与AIT面板（所有电极被驱动）在EMI辐射模式上的根本差异，将AIT面板类比为一个贴片天线，从而从理论上确认了EMI问题的根源在于驱动信号本身。

第二步：AIT操作与EMI的仿真验证。 为了支撑理论分析，研究者首先对AIT的正常操作进行了电路仿真。 * 仿真模型构建： 他们基于LG Display提供的一块7英寸AIT面板规格，建立了详细的仿真模型。该面板包含32x20个触控电极，每个电极由25x24个像素构成。研究的关键在于精确估计每个触控电极对地的总寄生电容（Cp_total）。通过构建子像素的等效电路模型（图5(b)），他们计算出单个触控电极的寄生电容约为150 pF，远大于触摸事件引入的电容变化（Cs，约1 pF）。基于此，他们搭建了包含640个触控电极、传感电路、电压积分器以及手指触摸电容的完整AIT系统仿真模型（图5(a)）。 * LFD效果仿真： 在模型中，分别模拟了应用LFD和不应用LFD两种情况。输入驱动脉冲（Vin）为频率100 kHz、幅度6 V的方波。仿真结果（图6）明确显示，在没有LFD的情况下，输出信号Vout包含了来自Cs和Cp的共同影响，导致由触摸引起的电压变化（ΔVout）相对于总Vout的比值（ΔVout/Vout）非常小（约0.075%），触控灵敏度极低。而在应用LFD后，Cp的影响被消除，ΔVout/Vout比值显著提升至6.2%，验证了LFD对于实现AIT高灵敏度触控的不可或缺性。 * EMI频谱仿真与解决方案初探： 紧接着，研究者对上述模型进行了电磁场仿真，以观察其EMI辐射特性。仿真结果（图7）显示，由100 kHz方波驱动的AIT面板，其辐射频谱表现为一系列100 kHz的奇次谐波，该结果与图1中的实际测量结果高度吻合，证实了理论分析的正确性。基于此，研究提出了解决问题的核心思路：频谱扩展（Spread Spectrum）。研究者指出，方波因含有丰富的高次谐波而具有高辐射效率，但这也是其产生强EMI的原因。他们设想，如果能将驱动信号的频谱能量“铺展”在一个更宽的频带上，而不是集中在特定谐波频率，那么每个频点上的峰值辐射水平就会降低，从而满足EMI标准，同时保持信号的总能量（对应触控灵敏度）不变。为了初步验证该想法，他们进行了一个概念仿真（图8）：对比100 kHz方波和一个由80, 90, 100, 110, 120 kHz五种频率合成的复合脉冲。仿真表明，复合脉冲的谐波峰值比方波降低了约7 dB，而两者的触控性能（ΔVout/Vout比值）几乎相同。这初步证明了频谱扩展方法是解决AIT面板EMI问题的可行路径。

第三步：提出并验证新型驱动方法——伪随机脉冲（Pseudo Random Pulse， PRP）。 虽然复合脉冲在仿真中有效，但实际中难以应用。因此，研究团队提出了一种实用化的频谱扩展驱动方法：使用伪随机脉冲（PRP）作为LFD的输入驱动信号。 * 实验硬件系统搭建： 为了验证PRP的实际效果，他们搭建了一套完整的实验硬件系统（图9）。该系统包括：一个7英寸AIT裸面板（未覆盖玻璃盖板）、用于触控感测的评估板、用于生成PRP的FPGA开发板（Altera Stratix III）、用于测量电磁场的近场探头（Com-power PS-500）和频谱分析仪（Anritsu MS2830a），以及用于测量触控信号输出的示波器（Rohde & Schwarz RTO1044）。触摸事件通过一个放置在面板中央的50mm×50mm导电物体模拟，并将所有触控电极并联以增加电容变化量，便于精确测量。 * PRP生成与特性： PRP是基于伪随机比特序列（PRBS）方法，使用250 kHz的时钟信号生成的（图10©）。它的波形仍然是脉冲形式，但其脉冲周期（或频率）在一定范围内随机变化，而非像传统方法那样使用固定频率（如100 kHz）的周期方波（图10(b)）。这种随机性使得其功率频谱得以自然展宽。 * 实验测量与对比： 实验主要对比了两种输入驱动波形：传统的100 kHz方波和提出的PRP。两者在实验中的幅度均设置为2.5 V（受限于FPGA板），使能时间均为500 μs。实验从两个核心维度进行对比： 1. EMI辐射水平： 使用近场探头和频谱分析仪测量0.15 MHz至30 MHz频段的辐射水平。测量结果（图12）清晰显示，采用PRP驱动后，整个频段内的EMI水平显著降低。在0.3 MHz处，100 kHz方波的辐射为17.5 dBμV，而PRP将其降至11.1 dBμV左右；在10 MHz处，从15.5 dBμV降至9.0 dBμV左右。总体而言，PRP实现了超过6.5 dB的EMI降低。 2. 触控性能保持： 使用示波器测量积分器的输出电压Vout及其在触摸事件下的变化量ΔVout（图13）。数据显示，尽管PRP在500 μs使能期内的脉冲个数（63个）略多于100 kHz方波（50个），导致其非触摸状态下的Vout基准值（3.88 V）略高，但其在触摸时产生的ΔVout（77.8 mV）也相应更高。最关键的评价指标——信噪比或有效信号比率ΔVout/Vout——对于100 kHz方波为1.82%，对于PRP为2.01%。两者数值非常接近，表明PRP驱动在显著降低EMI的同时，完全保持了AIT面板原有的触控灵敏度性能。

3. 主要研究成果

本研究通过严谨的理论分析、仿真和实验，系统地证明了所提出的伪随机脉冲（PRP）驱动方法的有效性。主要成果可概括为： 1. 首次深入分析了AIT面板产生EMI的内在机制： 明确指出其根源在于LFD驱动方法导致整个面板像天线一样工作，而驱动信号的频谱特性（特别是周期性方波的高次谐波）是决定EMI辐射谱的关键。 2. 提出并验证了一种创新的频谱扩展解决方案： 将原本用于通信和测试领域的PRBS（伪随机比特序列）技术，首次创新性地应用于触控面板的EMI抑制领域，开发出PRP驱动方法。 3. 实现了显著的EMI降低： 实验测量表明，在0.15-30 MHz的关键频段内，PRP驱动可将AIT面板的EMI峰值降低超过6.5 dB。 4. 确保了触控性能的零妥协： 实验数据证实，PRP驱动下的触控性能指标（ΔVout/Vout）与传统的固定频率方波驱动基本一致，成功解决了EMI与灵敏度之间的权衡矛盾。 5. 提供了无需硬件修改的软件解决方案： 该方案仅需修改驱动集成电路（IC）中的信号生成算法，无需对AIT面板的物理结构、材料或制造工艺进行任何更改，具有极高的实用性和低成本优势。

4. 研究结论与价值

本研究的核心结论是：通过采用伪随机脉冲（PRP）作为AIT面板负载自由驱动（LFD）的输入信号，可以有效地将驱动信号的功率频谱展宽，从而在保持原有高触控灵敏度的前提下，显著降低面板在特定频段产生的电磁干扰（EMI）。这种EMI降低是通过信号层面的调制实现的，无需对面板进行任何结构重构，为AIT技术的商业化应用扫除了一个关键障碍。

该研究的科学价值在于，它为“信号驱动方式如何影响系统级电磁兼容性”这一跨学科问题提供了一个清晰的研究范例，将通信工程中的频谱扩展理论成功应用于显示触控系统的EMI设计。其应用价值则更为直接和重大：它使得AIT这项先进的触控显示技术能够满足汽车、军事、航空等对电磁环境有极端苛刻要求领域的应用标准。在这些领域中，用户界面不仅需要高性能的触控体验，还必须保证极低的电磁辐射，以免干扰车载无线电、航空电子设备或其他敏感系统。本研究提出的PRP驱动方法，为实现这一目标提供了一条切实可行的技术路径。

5. 研究亮点

1. 问题切入点的创新性： 首次系统性地将AIT面板的EMI问题归因于其核心的LFD驱动方法，并进行了透彻的机制分析。
2. 解决方案的巧妙性与跨界应用： 创造性地将通信领域的伪随机序列频谱扩展技术，移植到触控面板驱动设计中，以纯信号处理的方式解决硬件电磁兼容问题，体现了跨学科思维的魅力。
3. 验证体系的完整性： 研究从理论建模、电路与电磁仿真到实物硬件实验，构建了完整、闭环的验证体系，结论坚实可靠。
4. 极高的实用价值： 所提出的PRP驱动方案不改变硬件，仅通过更新驱动IC固件即可实现，具有开发成本低、易于部署、能快速应用于现有产品线的巨大优势。

6. 其他有价值内容

研究者在论文中也展望了该方法更广泛的应用潜力。他们指出，只要传感系统采用脉冲驱动方式，该方法就具有普适性。例如，其他类型的电容式触控屏（CTSP）乃至其他类别的传感器，都可以借鉴此方法来抑制EMI。此外，通过合成不同特性的脉冲或对脉冲波形进行调制，还可以实现对特定频段EMI的针对性抑制或对整个EMI频谱进行灵活控制，这为未来更精细的EMI管理技术指明了方向。