- 探討觸摸原理及其設計方案
- 揭示高效逆變器設計之道
- 剖析電動汽車的充電技術
“蘋果”概念：以iPhone為首的手機和以iPad為首的平板電腦這股“蘋果”風，除了引爆便攜式消費電子市場外，更是帶動了觸摸屏技術的迅猛發(fā)展。據行業(yè)分析師認為，觸摸屏在電子設備的滲透率將分為前后兩期：前期為20%-30%，后期將達到60%。2010年已經超越了30%的滲透率，2011年將是后期60%的發(fā)展之年。
“環(huán)保”概念：隨著我國經濟持續(xù)高速發(fā)展，缺煤、缺電、缺油幾乎同時出現(xiàn)，加上我國是能源消費大國，早在2002年，我國能源消費已位列全球第二，僅次于美國，時至2010年我國一次能源消費量達到了32.5億噸標準煤，同比增長了6%，能源消費躍居全球之首。加之，近期發(fā)生的日本核泄漏事件，更是引發(fā)了人們對能源獲取之道的重新審度。在全球能源緊缺的大環(huán)境下，清潔環(huán)保的太陽能光伏、風電等清潔能源將被加速，從而帶動逆變器市場的發(fā)展；新能源汽車技術也在這樣的大環(huán)境下異軍突起，各種新型充電技術將搬上環(huán)保的舞臺。
在“蘋果”和“環(huán)保”概念下，觸摸技術、逆變器技術以及新型充電技術討論將在延2011年繼續(xù)延伸。本期半月談將與大家一起探討觸摸屏在設計的時候需要注意哪些要點，如何提高光伏逆變器效率以及新型充電技術的技巧。
觸摸技術
觸摸屏作為新型的輸入設備，有利于電子產品小型化、操作簡潔化、外觀時尚化，觸摸式按鍵使按鍵操作更加靈活方便，帶動了觸摸技術火速進入消費電子市場，目前個人數碼產品和商用顯示都紛紛采用了觸摸技術。
1）觸摸屏工作原理和性能
觸摸屏系統(tǒng)包括觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行，這就是其工作原理。觸摸屏一般分為四大類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和表面聲波觸摸屏，每種觸摸屏都有其獨特的性能，各自的原理也有差異性，因此不同的觸摸屏有不同方面的應用。
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2）電容式觸摸設計要點
目前市場上因為電容屏憑借其多點觸控功能而得到廣泛應用。電容觸摸屏和電阻式觸摸屏截然不同，電阻屏相對來說比較穩(wěn)定、設計簡單，那么在進行電容式觸摸屏設計的時候需要注意哪些問題呢？當我們對觸摸屏進行操作的時候，用指尖觸摸，是不會有效的，因為電容觸摸屏受到手指和觸摸屏之間接觸面積的影響，倘若增大手指與屏幕的接觸面積，則可能會出現(xiàn)誤操作，這就引出了用戶與機器之間良好交互的設計問題。所有的電子設備都需要考慮其ESD問題，對于配有觸摸屏的移動設備，屏幕的增大帶來耗能的增大，耗能問題急需解決，還有諸如觸摸屏本身的材質選取、觸摸屏的各種電氣參數……這些都是在設計中需要考慮的。
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2）電容式觸摸解決方案
觸摸系統(tǒng)主要包括觸摸屏、控制器、微處理器三部分，觸摸屏作為輸入系統(tǒng)，用于檢測用戶的操作，并形成電信號；控制器充當觸摸屏和微處理器之間溝通的橋梁，內涵一個AD轉換器件；微處理器是核心部件，負責運算。其中，控制器與觸摸屏的觸控點數目、精確度、相應時間、功耗、信噪比有關，好的技術方案可以在節(jié)省成本和使用資源上為觸摸系統(tǒng)做出貢獻，開發(fā)優(yōu)化觸摸系統(tǒng)的重點落到了控制器上。目前，市場上電容式觸摸控制解決方案主要包括True Touch技術、mTouche技術和maXTouch技術，這些技術解決了在電容屏上使用觸筆、縮短觸摸系統(tǒng)的開發(fā)時間、觸摸響應時間、精度等問題，同時也朝著小型化發(fā)展。
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3) 觸摸屏接口設計案例分享
觸摸屏輸入輸出設備，由觸摸屏、觸摸屏控制器和微控制器三部分組成，要求精確、方便、準確的控制，其應用簡化了人機交互過程，使得數據的顯示和輸入結合為一體，大大縮小了整個設備的體積。觸摸屏附著在顯示器的表面，與顯示器配合使用，通過觸摸產生模擬電信號，經過模數轉換變?yōu)閿底中盘?，并由微處理器計算得出觸摸點的坐標，從而得到操作者的意圖并執(zhí)行?？刂破鞯墓δ苤饕窃谖⑻幚砥鞯目刂葡孪蛴|摸屏的兩個方向分時施加電壓，并將相應的電壓信號傳送給自身A/D轉換器，在微處理器SPI口提供的同步時鐘作用下將數字信號讀入微處理器。微處理器則相當于人類的大腦，一切的數字信號控制均需要經過這個核心部件。
激光治療儀系統(tǒng)因為其特殊應用對系統(tǒng)的響應時間要求比較嚴格，通過對內部寄存器和算法的優(yōu)化設置，可以提高復雜控制系統(tǒng)的響應時間。便攜產品需要面對的挑戰(zhàn)是續(xù)航時間，從超低功耗的趨勢出發(fā)，提出了以零功耗Altera MAX IIZ CPLD邏輯器件對智能手機觸摸屏接口的設計，并詳細介紹了2D觸摸傳感器的原理及其設計，通過 MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC觸摸屏解碼達到縮短響應時間、提高精確度和降低功耗等等。
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高效率逆變器設計
太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組和逆變器共同組成（如圖1）,，其中，逆變器是最重要的部分。逆變器是一種電源轉換裝置，其主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電，圖2表示了逆變器在太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)中的作用。
1）半導體功率器件的選擇
太陽能逆變器通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供終端用戶使用。最高效率是太陽能逆變器的最重要指標，除了通過一個boost電路來對太陽能電池輸入電壓進行最大功率點跟蹤，功率器件的加入以及正確選用，將會大大提高太陽能逆變器的效率。
用于逆變器的功率器件主要有IGBT和MOSFET兩種，其中IGBT導通壓降具有非線性特性，可以使IGBT的導通壓降不隨著電流的增加而顯著增加，其工作在50HZ的電網頻段，MOSFET比IGBT工作在更高的開關頻率，一般在16KHZ頻段左右。在DC/AC升壓變換器中，由升壓二極管、升壓晶體管和儲能電感組成的電壓變換電路，輸入的脈沖經過放大器放大后驅動晶體管做開關動作，使得直流電壓對電感進行充放電，此時，在電感的另一端就能得到交流電壓。一般而言，在選擇升壓二極管時，必須考慮到反向恢復電流對升壓開關的影響，因為這會導致額外的損耗，使用碳化硅二極管，可大大減少晶體管的開通損耗和二極管的關斷損耗，還可減少電磁干擾。對于額定600V的升壓開關，可采用超級結MOSFET，可降低單位面積的導通電阻。對于需要1200V功率開關的太陽能逆變器，IGBT是適當的選擇。使用超級結MOSFET在輸出變換器中，開關頻率沒有DC/AC變換器的高，處理由所有組變換器產生的電流總和時，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)將是最理想的器件。
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3）逆變器的拓撲結構設計
逆變器的拓撲結構決定著整個太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)的效率和成本，是影響系統(tǒng)經濟可靠運行的關鍵因素,拓撲結構的選擇和光伏逆變器額定輸出功率有關：對于4kw以下的光伏逆變器，通常選用直流母線不超過500v，單相輸出的拓撲結構,而大功率光伏逆變器需要使用更多的光伏電池組和三相逆變輸出，最大直流母線電壓會達到1000v，綜合考慮開關速度，利用中心點箝位的拓撲結構，便可使用600v的器件取代1200v的器件，提高太陽能逆變器的效率。不管是單向還是三相光伏逆變器拓撲設計，其趨勢都是朝著效率更高、無功功率補償和雙向變換模式發(fā)展，通過在原來的拓撲設計上適當的增加功率器件，可以使太陽能逆變器高效的運作。
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電動汽車充電技術
電動汽車早已成為世界車展上的一個焦點，其替代傳統(tǒng)能源驅動技術無疑是未來行業(yè)發(fā)展的重點。對于一臺電動汽車，蓄電池是其動力所在，充電是其不可缺少的行為，為適應當今社會快速發(fā)展的步伐，智能快速的充電方式成為了電動汽車充電技術的發(fā)展趨勢。
目前電動汽車充電方式有三種，即更換電池、快速充電、無線充電。
更換電池實質是將新能源汽車動力電池環(huán)節(jié)市場化運營，有利于降低電動車的售價及減短充電時間，但是行業(yè)專業(yè)化高。快速充電是以較大電流在短時間內為電動汽車提供快速充電服務。增大充電電流，可以使電池極板上單位時間內恢復的活性物質增多，但是會減短電池的使用壽命。“無線充電”策略擺脫了線的束縛，其最流行的解決方案包括電磁感應和磁共振。
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2）電動汽車用充電電池及其充電技術
電動汽車充電的載體是動力電池，在充電過程中，通過電化學反應把電能轉化為化學能，縮短動力電池的充電時間和增加動力電池的充電容量是充電的關鍵技術。目前主要的電動汽車動力電池由鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池三分天下。
動力電池的性能由其物理結構決定，并決定著充電技術的選取。鉛酸電池受環(huán)境的影響較大，溫度等因素會對電池的SOC值影響較大，在變電流放電的情況下，脈沖分階段恒流快速充電能夠很好的適應鉛酸電池的充電特點。氫鎳電池在高溫充電時，副反應氧析出反應會加速，使得電池內壓升高，容易發(fā)生爆炸，可以通過調整配方工藝加以改善，提高高溫下充電效率和安全性，其充電技術主要采取恒電流充電方式。鋰離子電池目前是運用最多的動力電池，其性能與正極材料密切相關，鋰鈷氧化物和鋰錳氧化物適宜鋰離子的脫嵌，成本低廉、無污染以及耐過充性和熱安全性更好，對充電過程中的保護要求相對較低，適宜作為正極材料。動力電池的性能和壽命不僅與自身的參數有關，充電方式、充電結束電壓、充放電電流等充電過程中的因素也會對其造成一定的影響，需要根據各種因素對動力電池的充電技術進行選取。
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3）超級電容在快速充電中的應用
超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電化學電池的儲能機理，憑借其容量大、功率密度大、使用壽命長、安全性強和對環(huán)境沒有污染等特性，成為了電動汽車動力開發(fā)的重要方向之一。其在啟動、加速和上坡行駛作業(yè)時可提供瞬時大功率，并在汽車制動時回收能源加以利用，最重要的是超級電容器可以實現(xiàn)快速充電，對電動汽車實現(xiàn)續(xù)航具有重大意義。
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4）電池管理系統(tǒng)在電動汽車充電過程的作用
電池管理系統(tǒng)與電動汽車的動力電池緊密結合在一起，對電池的電壓、電流、溫度等參數進行時刻檢測，同時還進行著多種智能管理：漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒……其中最重要的是它在電動汽車充電過程中發(fā)揮著保護電路與調節(jié)最優(yōu)充電的作用。在充電過程中，電池可接受的充電電流是有限的，且會隨著充電時間呈指數規(guī)律下降，甚至會出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，對電池造成損傷。電池管理系統(tǒng)可以時刻檢測電池的各項參數，并根據參數自動調節(jié)充電電流的大小，提高電池的充電效率，保證了汽車系統(tǒng)的安全。
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