電容式觸摸應(yīng)用設(shè)計參考指導(dǎo)

1、 ARXXX 系列觸摸感應(yīng)按鍵設(shè)計指南(參考資料V1.0阿達電子 目 錄1. 概述 . 3 2. 觸摸按鍵的原理. 3 3. 觸摸PCB 設(shè)計考慮 . 4 3.1 PCB 設(shè)計關(guān)鍵點: . 4 3.2 減小PCB 的基準電容 . 4 3.3 觸摸按鍵形式、間和鋪地考慮 (4阿達電子 1.概述現(xiàn)在的電子產(chǎn)品,觸摸感應(yīng)技術(shù)正日益受到更多關(guān)注和應(yīng)用,與傳統(tǒng)的機械按鍵相比,電容式觸摸感應(yīng)按鍵不僅美觀時尚而且壽命長,功耗小,成本低,體積小,持久耐用。它顛覆了傳統(tǒng)意義上的機械按鍵控制,只要輕輕觸碰,他就可以實現(xiàn)對按鍵的開關(guān)控制,量化調(diào)節(jié)甚至方向控制,現(xiàn)在電容式觸摸感應(yīng)按鍵已經(jīng)廣泛用于玩具、電子手表、電視機

2、面板、移動電源等一系列消費類電子產(chǎn)品中!2.觸摸按鍵的原理兩塊導(dǎo)體(極板中間夾著一塊絕緣體(介質(zhì)就能構(gòu)成的電容。對觸摸感應(yīng)按鍵而言,PCB 板上的金屬感應(yīng)盤就是電容的一個極板,而周圍鋪銅或手指構(gòu)成了另一個極板,PCB 材料本身或者PCB 板上覆蓋的介質(zhì)就是電容中間的絕緣體,因而構(gòu)成一個電容器。平板電容器的容值計算公式為: 其中:C : PCB 板最終生成電容 0 :空氣中的介電常數(shù)r :兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù) A :兩極板面積 D :兩極板距離圖 1無手指觸摸和有手指觸摸時電容構(gòu)成如下圖。當沒有手指接觸時,只有基準電容Cp ;當有手指接觸時,“按鍵”通過手指就形成了電容Cf 。由于兩個電容

3、是并聯(lián)的,所以手指接觸“按鍵”前后,總電容的變化率為C% = (Cp+Cf-Cp/Cp = Cf/Cp 無手指觸摸示意圖 手指觸摸示意圖阿達電子 圖 2這個電容的變化引起芯片內(nèi)部振蕩頻率或充放電時間的變化,使芯片內(nèi)部能夠檢測到觸摸發(fā)生,從而產(chǎn)生觸發(fā)信號。電容的變化率越大,觸摸就越易檢測到。PCB 的設(shè)計原則同樣也是使觸摸前后的電容變化率盡可能大:即減小PCB 的基準電容,增大手指電容。3. PCB 設(shè)計考慮所以PCB 設(shè)計對觸摸效果有很大的影響,甚至決定整個觸摸產(chǎn)品的開發(fā)。3.1 PCB 設(shè)計關(guān)鍵點 觸摸模塊單獨做成一塊PCB 板(強烈建議 抑制干擾 減小觸摸PCB 的基準電容3.2 減小PC

4、B 的基準電容:上面提到的平板電容器的容值計算公式為:為使基準電容量盡可能小,主要控制極板面積和極板距離。極板面積主要體現(xiàn)在觸摸盤的大小、鋪地的比例、感應(yīng)走線的長度、寬度上,極板距離主要體現(xiàn)在觸摸盤、感應(yīng)走線與鋪地的間距上。3.3 觸摸按鍵的形式、間距和鋪地考慮 外形觸摸按鍵可以是任何形狀,但盡量集中在正方形、長方形、圓形等比較規(guī)則的形狀以確保良好的觸摸效果,避免將觸摸按鍵設(shè)計成窄長的形狀(規(guī)則的形狀的觸摸效果要比不規(guī)則的好得多。阿達電子 圖 3 頂層(TOP 鋪地形式:可以鋪實地或網(wǎng)格地,如圖4。 頂層(TOP 鋪地間距:需離感應(yīng)盤1mm 以上的距離,詳見如下表。圖 4 頂層按鍵感應(yīng)盤之外鋪

5、實銅 頂層(TOP 鋪地形式:可以鋪實地或網(wǎng)格地,如圖5。頂層(TOP 鋪地間距:需離感應(yīng)盤1mm 以上的距離,詳見如下表。 圖 5阿子 頂層(TOP 鋪地形式:可以鋪實地或網(wǎng)格地,如圖6。頂層(TOP 鋪地間距:需離感應(yīng)盤1.2mm 以上的距離,詳見如下表。圖 6 頂層(TOP 鋪地形式:可以鋪實地或網(wǎng)格地,如圖7。電子 頂層(TOP 鋪地間距:需離感應(yīng)盤1.2mm 以上的距離,詳見如下表。 圖 7 底層(BOTTOM 鋪地形式:一般使用網(wǎng)格地,網(wǎng)格中銅的面積不超過網(wǎng)格總面積的30%。建議網(wǎng)格線寬0.25mm , 網(wǎng)格大小為1mm*1mm ,如圖8:圖 8 底層按鍵感應(yīng)盤正下方鋪網(wǎng)格銅底層(

6、BOTTOM 不鋪地一定程度提高靈敏度,但要注意的是按鍵感應(yīng)盤正下方不能有其他電路板或金屬阿達 圖 9 底層按鍵感應(yīng)盤正下方不鋪地 不要在信號線附近保留死銅,避免意外的干擾。圖 10觸摸盤距離PCB 板邊沿保持5mm 以上的距離,在帶有金屬的外殼要保持在1cm 以上距離。需要注意的是,鋪地比例增加雖在一定程度上增加了PCB 的基準電容,降低了觸摸靈敏度,但同時提高了抗干擾能力,所以建議在保證靈敏度的情況下加大鋪地的比例。3.4 觸摸芯片、觸摸盤布局考慮 觸摸芯片和觸摸盤應(yīng)放置在同一塊PCB 板上,在PCB 板空間允許的情況下,應(yīng)盡量將觸摸芯片放置在觸摸板的中間位置,使觸摸芯片的每個感應(yīng)通道的引

7、腳到感應(yīng)盤的距離差異最小。例如滾輪時盡量把觸摸感應(yīng)芯片放在滾輪中心,滑條按鍵放在中間位置。圖 11 最好的觸摸芯片位置阿達電子 圖 12 不好的觸摸芯片位置 穩(wěn)壓電路和濾波電容與觸摸芯片放置在同一塊PCB 板上,穩(wěn)壓芯片和濾波電容盡量靠近觸摸芯片的電源腳,穩(wěn)壓芯片的地到觸摸芯片的地盡量短。 觸摸芯片、觸摸盤、觸摸感應(yīng)走線1cm 之內(nèi)不能放置大電流器件,比如充電管理芯片;觸摸盤背面不能放置其他芯片。圖 13 觸摸感應(yīng)通道匹配電阻盡量靠近IC 放置,靈敏度調(diào)節(jié)電容應(yīng)靠近IC 放置,如圖14。圖 14 通道匹配電阻靠近IC 放置3.5 感應(yīng)走線1. 基本走線原則:保證走線盡量細、到觸摸IC 的距離盡

8、量短。阿達電子 圖 15 如果PCB 工藝允許,感應(yīng)盤到IC 的連線應(yīng)盡量細,雙面板采用0.12-0.2mm(5-8mil的線寬,單面板線寬0.2-0.3mm(8-12mil。圖 16感應(yīng)走線與鋪地的距離d1至少保持0.75mm 以上,感應(yīng)走線與感應(yīng)走線之間的間距保持在0.75mm 以上,感應(yīng)走線盡量避免與其它感應(yīng)走線平行,防止觸摸之間相互干擾。圖 17 圖 18 感應(yīng)走線周圍1mm 不要走其他信號線,當附近有大電流信號線(>10mA 時應(yīng)保持距離3mm 以上;當附近有強干擾、高頻的信號線時至少間距1cm 并用鋪地隔開。 感應(yīng)走線距離PCB 板邊沿保持3mm 以上的距離,在帶有金屬的外殼

9、要保持在8mm 以上距離。 雙面板走線:感應(yīng)盤應(yīng)放在頂層(TOP ,安裝時緊貼觸摸面板;觸摸芯片和感應(yīng)走線應(yīng)放在背面(BOTTOM ,感應(yīng)走線與頂層觸摸盤的過孔應(yīng)盡量直接放在觸摸盤上。 圖 19 單面板走線,如果采用單面PCB 板,并用彈簧或其它導(dǎo)電物體做感應(yīng)盤,感應(yīng)盤到IC 引腳的連線應(yīng)不走或盡量少走跳線。 滾輪滑條的走線:觸摸感應(yīng)芯片的感應(yīng)通道引腳與按鍵感應(yīng)盤和滾輪、滑條感應(yīng)單元的連線應(yīng)盡量阿達電子 全部走PCB 底層。觸摸感應(yīng)芯片的感應(yīng)通道到滾輪或滑條每個感應(yīng)單元的連線應(yīng)盡量長度相近。如需走過孔,則應(yīng)盡量使頂層的線段最短。圖 202. 感應(yīng)走線其它走線技巧 感應(yīng)走線與感應(yīng)盤的過孔連接有圖

10、21和圖22兩種連接方式,但以圖21的連接方式更好。 圖 21圖 22 不要將感應(yīng)走線靠近通訊線如I2C 或主SPI ,至少間距1mm 。通訊線的頻率可影響電容傳感器的性能。如果必須將通訊線與傳感器引線相交叉,應(yīng)確保在不同PCB 層并且交叉是垂直相交的。1. 傳感器與通訊線位于同層的處理圖 23阿達電子 2. 傳感器與通訊線不位于同層的處理 圖 24 如果時鐘、數(shù)據(jù)或任何周期信號跡線確實需要與傳感器的信號跡線平行布設(shè),它們應(yīng)當被布設(shè)在不同的層并且不能重疊,而且應(yīng)當盡可能地縮短信號跡線平行部分的長度。3.6 靈敏度調(diào)節(jié)方法 (以手指輕觸外殼表面為最佳靈敏度1. 靈敏度電容Cj 容值越大,靈敏度越

11、低,電阻Rs 阻值越大,靈敏度越低;靈敏度電容Cj 為粗調(diào)(050p ,電阻Rs 為微調(diào)(110k,如下圖:2. 觸摸感應(yīng)盤(即觸摸感應(yīng)電極的面積越大,靈敏度越高,面積大小決定了最高靈敏度,為了保證足夠的靈敏度,觸摸盤建議一般設(shè)計為10mm*10mm 以上。3. 介質(zhì)外殼對穿透力的影響根據(jù)板級電容的計算公式,我們得出結(jié)論:r :兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù) 觸摸感應(yīng)面板的靈敏度與絕緣面板的材質(zhì)有關(guān),介電常數(shù)越大,觸摸感應(yīng)靈敏度越高。阿達電子 這就不難理解,為什么蓋上普通玻璃介質(zhì)的觸摸板要遠比蓋上相同厚度的亞克力觸摸板靈敏度高,為什么在裝配產(chǎn)品時,一定要使感應(yīng)盤與絕緣面板背面緊密貼合不留空氣間隙。

12、 觸摸感應(yīng)面板的靈敏度與介質(zhì)的厚度有關(guān),同一介質(zhì)厚度越薄,靈敏度越高,厚度越厚,靈敏度越低。 觸摸感應(yīng)盤的正上方的介質(zhì)不能是金屬(或具有導(dǎo)電性質(zhì)的材料,否則觸摸無法感應(yīng)或引起誤動作;如附近有金屬至少與觸摸盤間距1cm 并將金屬接地,不然觸摸靈敏度不穩(wěn)定。4.觸摸芯片電源設(shè)計考慮 (要點是電源穩(wěn)定4.1 電源供電布局觸摸模塊電路設(shè)計時,建議在觸摸芯片的電源處預(yù)留LDO 的位置,根據(jù)實際紋波情況決定是否用LDO 。觸摸芯片原理是對電容變化量的一個感應(yīng),要求提供穩(wěn)定的電源給觸摸芯片。在整個產(chǎn)品設(shè)計中,要充分考慮不同模塊的電源配置,在觸摸模塊電源的設(shè)計中,建議單獨用LDO 穩(wěn)壓或跟主控共用LDO 穩(wěn)壓

13、。強烈建議不要跟大電流負載共用LDO 。如圖26圖 26大電流負載常見的有:功放模塊、電機、LED 燈珠、繼電器、藍牙無線模塊等4.2 電源走線的考慮 采用星形取電和星形接地星形取電用一根獨立走線從LDO 輸出端取電,不要和其他電路共用電源回路。如果做不到完全獨立,也應(yīng)該保證供電的電源線先進入觸摸芯片的電源然后再引到其它的電路的電源。星形接地要求觸摸芯片的地單獨連到電源輸入的接地點,這樣可以減小其他電路在電源上產(chǎn)生的噪聲對觸摸芯片的影響。4.3 電源跌落和紋波處理簡單電源處理電路: 阿達電子 防系統(tǒng)干擾 防較大幅值的高頻干擾 防電源瞬間跌落 觸摸電源處加穩(wěn)壓芯片(LDO 在穩(wěn)壓芯片選型上選用紋

14、波抑制比高的芯片。選用較低的穩(wěn)壓電壓,比如系統(tǒng)電壓是5V ,觸摸芯片可以穩(wěn)壓在3V ,有效降低觸摸芯片的交流脈沖的幅度。如圖28:圖 274.4 實際產(chǎn)品中電源設(shè)計的考慮鋰電池供電產(chǎn)品電源考慮由于鋰電池不能過放,一般設(shè)有保護電路其關(guān)斷電壓一般為3.0V 。如果LDO 選型的是3.0V 與關(guān)斷電壓一致,在實際使用中特別是鋰電池電量不足再帶負載就會存在瞬間低于3.0V 的情況。此時LDO 就不能用3.0V ,而采用2.5V 預(yù)留0.5V 以上裕量,這樣LDO 一直穩(wěn)定輸出2.5V 。開關(guān)電源供電產(chǎn)品電源考慮開關(guān)電源的紋波一般都比較大,有的開關(guān)電源初、次級之間沒有Y 電容,這樣觸摸芯片采樣的電容與地

15、是一個浮空電場,再加上紋波的影響,造成觸摸芯片靈敏度飄移或輸出不穩(wěn)定。所以建議選用有開關(guān)電源芯片設(shè)計的開關(guān)電源,紋波頻率成分比較干凈,在開關(guān)電源變壓器初、次級之間跨接一個Y 電容,再經(jīng)LDO 穩(wěn)壓輸出給觸摸芯片供電。 其他電源考慮觸摸芯片輸出與主控電平匹配問題。當主控的電源電壓比觸摸芯片的高時,通過主控的I/O 口倒灌一個電壓過來到觸摸芯片的電源,造成觸摸芯片的電源不穩(wěn)定,即電壓倒灌現(xiàn)象。解決辦法是將主控的I/O 口設(shè)置識別高電平有效或觸摸芯片輸出采用開漏方式輸出。例如,主控為鋰電池供電,觸摸芯片為2.5VLDO 供電,鋰電池電壓較高時主控I/O 口的電平比觸摸芯片輸出腳的電平要高,經(jīng)過觸摸芯

16、片內(nèi)部電路反饋到LDO 上,使得LDO 輸出的比2.5V 要高。正確做法是將主控的I/O 口設(shè)置識別高電平有效(如AR101-C或觸摸芯片輸出采用開漏方式輸出(如AR101-D。阿達電子 AR101-C 為CMOS 輸出,需要將主控I/O 設(shè)置成識別高電平AR101-D 為開漏輸出,主控I/O 設(shè)置成識別成低電平4.5 EMC 設(shè)計建議建議從以下方面提高EMC 性能: 使用退耦電容觸摸芯片的供電請加退耦電容,這可以減小觸摸芯片對電源的干擾。一般在芯片的VCC 和GND 端并接一個并接大于10uf 電解電容和一個104的瓷片電容,就可以起到退藕和旁路的作用。電容應(yīng)該盡量接近芯片電源。 使用較低的工作電壓:使用3.3V 給觸摸芯片供電,這樣可以有效降低觸摸芯片的交流脈沖的幅度。 適當加大通道匹配電阻適當加大觸摸芯片傳感器通道上串接的匹配電阻阻值,這樣可以降低交流脈沖邊沿的陡峭程度,減小高次諧波。注意的地方是匹配電阻加大后會降低感應(yīng)的靈敏度。 正確鋪地無論使用單面PCB 板和雙面PCB 板,PCB 的空白處都建議鋪地,并用地將按鍵感應(yīng)盤到IC 的輸入引腳之間的連線包起來,可以吸收電磁波輻射,提升EMC 指標。阿達電子深圳市阿達電子有限公司 觸摸感應(yīng)按鍵設(shè)計指南 在電源加入壓敏電阻或TVS管，以吸收高壓脈沖群能量，以保護后面的電路