本文介绍了一项发表于 IEEE Sensors Journal 期刊，第21卷第6期，2021年3月15日的研究工作。论文题为《汽车电磁兼容标准特定脉冲驱动方法用于先进内嵌式触摸传感器》，作者为来自LG Display公司Magok实验室的Hoonbae Kim和来自延世大学电气与电子工程系的Byung-Wook Min（IEEE会员）。本研究旨在解决先进内嵌式触摸面板在汽车应用中面临的电磁干扰难题，提出了一种创新的脉冲驱动方法。
一、 学术背景
本研究属于汽车电子、显示技术与电磁兼容交叉领域。随着触摸屏面板不仅在消费电子设备中普及，也广泛应用于汽车人机交互界面，其电磁兼容性成为关键挑战。特别是先进内嵌式触摸面板，因其将触摸传感器内置于显示面板内部以实现超薄和窄边框设计，受到市场青睐。然而，为克服内嵌式传感器固有的巨大寄生电容，AIT面板通常采用负载自由驱动技术。LFD通过向面板内所有电极同时提供同步的驱动脉冲来实现高触摸性能，但这也导致脉冲的高次谐波产生强烈的电磁辐射，使面板工作起来类似一个贴片天线。对于要求严苛的汽车电磁兼容标准（尤其是CISPR-25），传统LFD使用的方波脉冲产生的EMI往往超标。因此，如何在保持AIT面板优异触摸性能的前提下，有效降低其EMI辐射，以满足汽车级应用要求，是本研究要解决的核心问题。
研究团队指出，将驱动波形从脉冲波改为正弦波虽能减少谐波从而降低EMI，但会牺牲触摸信噪比，且需要重新设计驱动电路，成本高昂。因此，他们致力于在保留脉冲驱动框架的基础上，通过优化脉冲波形本身来解决问题。本研究的目标是开发一种新颖的脉冲驱动方法，使其在满足汽车EMI规范的同时，不损害触摸性能，并能直接利用现有的为脉冲驱动设计的电路组件，无需重大修改。
二、 详细工作流程
本研究包含设计、仿真、优化和实验验证等多个紧密衔接的步骤，研究对象主要是一个7英寸的AIT面板及其驱动系统。
第一步：问题分析与解决方案构思。 研究团队首先分析了AIT面板EMI问题的根源：LFD使用的单一方波脉冲频谱集中在基频的奇次谐波上，导致在某些频段（如中波波段）的辐射峰值超标。他们明确了两个关键优化方向：1）频谱扩展：将单频能量分散到更宽的频带上，从而降低峰值。2）占空比优化：调整脉冲的占空比可以控制奇偶次谐波的相对幅度。基于此，他们构思了“频率扩展脉冲链”作为核心解决方案。这种脉冲链不是单一频率的方波，而是由多个不同频率的单个脉冲随机组合而成，从而在频域上产生类似噪声的宽频谱特性。
第二步：脉冲链设计与增强。 研究团队进一步提出了增强频谱扩展效果的方案：交替使用两种不同频率成分的脉冲链。具体设计流程如下：首先，由数字模块（如FPGA）的脉冲链发生器生成两种基础脉冲链P1(t)和P2(t)。P1(t)由110， 114， 118， 122， 126， 130， 134， 138 kHz这些频率的脉冲随机生成；P2(t)则由112， 116， 120， 124， 128， 132， 136， 140 kHz的脉冲随机生成。然后，通过多路复用器在触摸感应周期内交替输出P1(t)和P2(t)。这种交替驱动方式利用了AIT面板分时驱动（显示期和触控期）的特点。与仅使用单一类型脉冲链相比，交替使用两种链能引入更多频率分量，从而将谐波能量扩散到更宽的频带。仿真结果表明，交替方案比单一脉冲链方案能额外带来1-3 dB的EMI降低。
同时，研究确定了脉冲的最佳占空比为0.46:0.54。根据傅里叶级数公式计算，此占空比能将第五次谐波的幅度降低约2 dB。虽然这也会引入偶次谐波，但其幅度远低于相邻的奇次谐波，不会对满足EMI规范构成问题。
第三步：针对AIT面板的优化。 研究团队将上述设计应用于7英寸AIT面板进行针对性优化。他们选择了110 kHz至140 kHz作为脉冲链的频率范围。选择此范围基于两方面权衡：一方面，要确保触摸性能，驱动脉冲的持续时间需大于触摸电极RC时间常数的5倍；经计算，该面板的RC时间常数为0.45 μs，所需最小脉冲持续时间为2.25 μs，而110-140 kHz对应周期为7.1-9.1 μs，完全满足要求。另一方面，从EMI角度，此频率范围使得脉冲链的一次和三次谐波能落入CISPR-25标准中没有限值的频段（低于0.15 MHz和0.3-0.53 MHz），从而规避了规范限制。
最终生成的优化脉冲链结构为：交替出现的P1(t)和P2(t)，其中每个组成脉冲的占空比固定为0.46:0.54，幅度为3V。
第四步：仿真验证。 研究团队建立了包含AIT面板简化等效模型的传感电路进行仿真。模型参数基于实际面板设计。他们比较了四种驱动波形下的触摸性能：幅度6V、100 kHz方波；幅度3V、100 kHz方波；幅度3Vpp、100 kHz正弦波；以及幅度3V的优化脉冲链。仿真通过计算触摸事件发生前后输出电压的变化来评估触摸灵敏度。此外，他们对优化脉冲链的EMI辐射频谱进行了仿真预测。
第五步：实验验证。 为了在真实环境中检验效果，研究团队搭建了实验系统。核心设备包括：用于生成优化脉冲链的FPGA开发板、待测试的7英寸AIT面板、用于测量触摸电压变化的示波器、以及连接频谱分析仪的近场探头用于测量EMI辐射。实验中，使用导电物体在面板中心位置进行触摸操作，测量输出电压差。同时，使用近场探头和频谱分析仪测量面板在分别使用传统100 kHz方波和优化脉冲链驱动时的电磁辐射。
三、 主要结果
1. EMI降低结果： 仿真和实验结果表明，所提出的优化脉冲链驱动方法能显著降低AIT面板的EMI辐射。关键成果体现在对谐波的处理上： * 一次和三次谐波：由于脉冲链的基频范围设置在110-140 kHz，其一次谐波（基波）和三次谐波被“移动”到了CISPR-25标准无限制的频段（长波段附近）。这直接解决了传统100 kHz方波驱动在这些频段可能超标的问题。 * 第五次谐波：这是需要重点降低以满足中波段规范的主要谐波。实验测量显示，使用优化脉冲链后，第五次谐波的辐射强度相比传统100 kHz方波降低了约15 dB。这15 dB的降低由两部分贡献：约13 dB来自频谱扩展效应（将能量分散到多个边带频率），约2 dB来自0.46占空比的优化。 * 偶次谐波：虽然因占空比不为0.5而产生了偶次谐波，但其幅度始终低于相邻的奇次谐波，并未对通过EMI测试构成障碍。
实验测量的EMI频谱图与仿真预测高度吻合，证实了该脉冲链设计能有效满足汽车CISPR-25的EMI要求。
2. 触摸性能结果： 触摸性能仿真结果显示，6V方波、3V方波、3Vpp正弦波和优化脉冲链对应的输出电压差分别为527 mV， 272 mV， 183 mV和338 mV。归一化比较后，优化脉冲链的触摸灵敏度（14.1 mV）与3V方波（14.3 mV）几乎相同，远优于正弦波方案（9.6 mV）。实验测量进一步证实了这一结论：在真实面板上，优化脉冲链驱动下的触摸输出电压差为102 mV，而传统100 kHz方波为105 mV，两者性能极为接近。论文引用的LG Display实测数据显示，3V方波驱动的触摸信噪比约为45 dB，而正弦波则低于40 dB的批量生产标准。基于输出电压差相似性可以推断，优化脉冲链能保持与3V方波同等级别、超过40 dB信噪比的触摸性能。
这些结果之间具有清晰的逻辑关系：频谱扩展和占空比优化的设计直接导致了EMI谐波峰值的大幅降低和频段规避；而频率范围的精心选择（110-140 kHz）在保证足够脉冲宽度以维持触摸性能的同时，实现了对关键谐波的频率搬移。仿真为设计提供了理论预测和参数指导，而实验则全面验证了设计在实际系统中的有效性和可行性。
四、 结论与价值
本研究成功提出并验证了一种用于AIT面板的、符合汽车EMC标准的新型脉冲驱动方法。核心结论是：通过采用基于特定频率范围（110-140 kHz）和最佳占空比（0.46）的频率扩展脉冲链，并交替使用两种不同频率成分的脉冲链以增强频谱扩展效果，可以显著降低AIT面板由LFD引起的EMI辐射（特别是第五次谐波降低15 dB），同时完全保持其原有的高触摸性能。
该研究的科学价值在于提供了一种在脉冲驱动框架内解决高谐波EMI问题的创新思路，将通信领域的频谱扩展技术创造性地应用于触摸传感的驱动设计。其应用价值非常突出：该方法使得AIT面板能够满足严苛的汽车电磁兼容标准，拓宽了其在汽车电子领域的应用前景。此外，与改用正弦波驱动的方案相比，该方法最大的工程价值是无需重新设计或修改现有的、为脉冲驱动优化的电路组件，节约了成本和开发周期，提供了即插即用的优化方案。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
论文通过对比表格清晰展示了所提方法与现有先进技术在触摸性能和EMI降低方面的优劣。研究也深入探讨了AIT面板作为“贴片天线”发射EMI的物理机制，这有助于理解问题本质。此外，文中对触摸性能与驱动脉冲宽度（与RC时间常数关系）的考量，以及对不同波形（方波、正弦波、优化脉冲链）能量效率与信噪比之间差异的分析，都具有普遍的参考价值。这些内容共同构成了一套针对车载触摸屏EMC问题的系统性解决方案。