投射式電容觸摸屏電磁干擾問(wèn)題解決方案

開(kāi)發(fā)具有觸摸屏人機界面的移動(dòng)手持設備是一項復雜的設計挑戰，尤其是對于投射式電容觸摸屏設計來(lái)說(shuō)更是如此，它代表了當前多點(diǎn)觸摸界面的主流技術(shù)。投射式電容觸摸屏能夠精確定位手指輕觸屏幕的位置，它通過(guò)測量電容的微小變化來(lái)判別手指位置。在此類(lèi)觸摸屏應用中，需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵設計問(wèn)題是電磁干擾(EMI)對系統性能的影響。干擾引起的性能下降可能對觸摸屏設計產(chǎn)生不利影響，本文將對這些干擾源進(jìn)行探討和分析。

投射式電容觸摸屏結構

典型的投射式電容傳感器安裝在玻璃或塑料蓋板下方。圖1所示為雙層式傳感器的簡(jiǎn)化邊視圖。發(fā)射(Tx)和接收(Rx)電極連接到透明的氧化銦錫(ITO)，形成交叉矩陣，每個(gè)Tx-Rx結點(diǎn)都有一個(gè)特征電容。TxITO位于RxITO下方，由一層聚合物薄膜或光學(xué)膠(OCA)隔開(kāi)。如圖所示，Tx電極的方向從左至右，Rx電極的方向從紙外指向紙內。

傳感器工作原理

讓我們暫不考慮干擾因素，來(lái)對觸摸屏的工作進(jìn)行分析：操作人員的手指標稱(chēng)處在地電勢。Rx通過(guò)觸摸屏控制器電路被保持在地電勢，而Tx電壓則可變。變化的Tx電壓使電流通過(guò)Tx-Rx電容。一個(gè)仔細平衡過(guò)的Rx集成電路，隔離并測量進(jìn)入Rx的電荷，測量到的電荷代表連接Tx和Rx的“互電容”。

傳感器狀態(tài)：未觸摸

圖2顯示了未觸摸狀態(tài)下的磁力線(xiàn)示意圖。在沒(méi)有手指觸碰的情況下，Tx-Rx磁力線(xiàn)占據了蓋板內相當大的空間。邊緣磁力線(xiàn)投射到電極結構之外，因此，術(shù)語(yǔ)“投射式電容”由之而來(lái)。

傳感器狀態(tài)：觸摸

當手指觸摸蓋板時(shí)，Tx與手指之間形成磁力線(xiàn)，這些磁力線(xiàn)取代了大量的Tx-Rx邊緣磁場(chǎng)，如圖3所示。通過(guò)這種方式，手指觸摸減少了Tx-Rx互電容。電荷測量電路識別出變化的電容(△C)，從而檢測到Tx-Rx結點(diǎn)上方的手指。通過(guò)對Tx-Rx矩陣的所有交叉點(diǎn)進(jìn)行△C測量，便可得到整個(gè)面板的觸摸分布圖。

圖3還顯示出另外一個(gè)重要影響：手指和Rx電極之間的電容耦合。通過(guò)這條路徑，電干擾可能會(huì )耦合到Rx。某些程度的手指-Rx耦合是不可避免的。

專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)

投射式電容觸摸屏的干擾通過(guò)不易察覺(jué)的寄生路徑耦合產(chǎn)生。術(shù)語(yǔ)“地”通常既可用于指直流電路的參考節點(diǎn)，又可用于指低阻抗連接到大地：二者并非相同術(shù)語(yǔ)。實(shí)際上，對于便攜式觸摸屏設備來(lái)說(shuō)，這種差別正是引起觸摸耦合干擾的根本原因。為了澄清和避免混淆，我們使用以下術(shù)語(yǔ)來(lái)評估觸摸屏干擾。

Earth(地)：與大地相連，例如，通過(guò)3孔交流電源插座的地線(xiàn)連接到大地。

DistributedEarth(分布式地)：物體到大地的電容連接。

DCGround(直流地)：便攜式設備的直流參考節點(diǎn)。

DCPower(直流電源)：便攜式設備的電池電壓?；蛘吲c便攜式設備連接的充電器輸出電壓，例如USB接口充電器中的5VVbus。

DCVCC(直流VCC電源)：為便攜式設備電子器件(包括LCD和觸摸屏控制器)供電的穩定電壓。

Neutral(零線(xiàn))：交流電源回路(標稱(chēng)處在地電勢)。

Hot(火線(xiàn))：交流電源電壓，相對零線(xiàn)施加電能。

LCDVcom耦合到觸摸屏接收線(xiàn)路

便攜式設備觸摸屏可以直接安裝到LCD顯示屏上。在典型的LCD架構中，液晶材料由透明的上下電極提供偏置。下方的多個(gè)電極決定了顯示屏的多個(gè)單像素;上方的公共電極則是覆蓋顯示屏整個(gè)可視前端的連續平面，它偏置在電壓Vcom。在典型的低壓便攜式設備(例如手機)中，交流Vcom電壓為在直流地和3.3V之間來(lái)回震蕩的方波。交流Vcom電平通常每個(gè)顯示行切換一次，因此，所產(chǎn)生的交流Vcom頻率為顯示幀刷新率與行數乘積的1/2。一個(gè)典型的便攜式設備的交流Vcom頻率可能為15kHz。圖4為L(cháng)CDVcom電壓耦合到觸摸屏的示意圖。

雙層觸摸屏由布滿(mǎn)Tx陣列和Rx陣列的分離ITO層組成，中間用電介質(zhì)層隔開(kāi)。Tx線(xiàn)占據Tx陣列間距的整個(gè)寬度，線(xiàn)與線(xiàn)之間僅以制造所需的最小間距隔開(kāi)。這種架構被稱(chēng)為自屏蔽式，因為T(mén)x陣列將Rx陣列與LCDVcom屏蔽開(kāi)。然而，通過(guò)Tx帶間空隙，耦合仍然可能發(fā)生。

為降低架構成本并獲得更好的透明度，單層觸摸屏將Tx和Rx陣列安裝在單個(gè)ITO層上，并通過(guò)單獨的橋依次跨接各個(gè)陣列。因此，Tx陣列不能在LCDVcom平面和傳感器Rx電極之間形成屏蔽層。這有可能發(fā)生嚴重的Vcom干擾耦合情況。

充電器干擾

觸摸屏干擾的另一個(gè)潛在來(lái)源是電源供電手機充電器的開(kāi)關(guān)電源。干擾通過(guò)手指耦合到觸摸屏上，如圖5所示。小型手機充電器通常有交流電源火線(xiàn)和零線(xiàn)輸入，但沒(méi)有地線(xiàn)連接。充電器是安全隔離的，所以在電源輸入和充電器次級線(xiàn)圈之間沒(méi)有直流連接。然而，這仍然會(huì )通過(guò)開(kāi)關(guān)電源隔離變壓器產(chǎn)生電容耦合。充電器干擾通過(guò)手指觸摸屏幕而形成返回路徑。

注意：在這種情況下，充電器干擾是指設備相對于地的外加電壓。這種干擾可能會(huì )因其在直流電源和直流地上等值，而被描述成“共?！备蓴_。在充電器輸出的直流電源和直流地之間產(chǎn)生的電源開(kāi)關(guān)噪聲，如果沒(méi)有被充分濾除，則可能會(huì )影響觸摸屏的正常運行。這種電源抑制比(PSRR)問(wèn)題是另外一個(gè)問(wèn)題，本文不做討論。

充電器耦合阻抗

充電器開(kāi)關(guān)干擾通過(guò)變壓器初級-次級繞組漏電容(大約20pF)耦合產(chǎn)生。這種弱電容耦合作用可以被出現在充電器線(xiàn)纜和受電設備本身相對分布式地的寄生并聯(lián)電容補償。拿起設備時(shí)，并聯(lián)電容將增加，這通常足以消除充電器開(kāi)關(guān)干擾，避免干擾影響觸摸操作。當便攜式設備連接到充電器并放在桌面上，并且操作人員的手指僅與觸摸屏接觸時(shí)，將會(huì )出現充電器產(chǎn)生的一種最壞情況的干擾。

充電器開(kāi)關(guān)干擾分量

典型的手機充電器采用反激式(flyback)電路拓撲。這種充電器產(chǎn)生的干擾波形比較復雜，并且隨充電器不同而差異很大，它取決于電路細節和輸出電壓控制策略。干擾振幅的變化也很大，這取決于制造商在開(kāi)關(guān)變壓器屏蔽上投入的設計努力和單位成本。典型參數包括：

波形：包括復雜的脈寬調制方波和LC振鈴波形。頻率：額定負載下40~150kHz，負載很輕時(shí)，脈沖頻率或跳周期操作下降到2kHz以下。電壓：可達電源峰值電壓的一半=Vrms/√2。

充電器電源干擾分量

在充電器前端，交流電源電壓整流生成充電器高電壓軌。這樣，充電器的開(kāi)關(guān)電壓分量疊加在一個(gè)電源電壓一半的正弦波上。與開(kāi)關(guān)干擾相似，此電源電壓也是通過(guò)開(kāi)關(guān)隔離變壓器形成耦合。在50Hz或60Hz時(shí)，該分量的頻率遠低于開(kāi)關(guān)頻率，因此，其有效的耦合阻抗相應更高。電源電壓干擾的嚴重程度取決于對地并聯(lián)阻抗的特性，同時(shí)還取決于觸摸屏控制器對低頻的靈敏度。

電源干擾的特殊情況：不帶接地的3孔插頭

額定功率較高的電源適配器(例如筆記本電腦交流適配器)，可能會(huì )配置3孔交流電源插頭。為了抑制輸出端EMI，充電器可能在內部把主電源的地引腳連接到輸出的直流地。此類(lèi)充電器通常在火線(xiàn)和零線(xiàn)與地之間連接Y電容，從而抑制來(lái)自電源線(xiàn)上的傳導EMI。假設有意使地連接存在，這類(lèi)適配器不會(huì )對供電PC和USB連接的便攜式觸摸屏設備造成干擾。圖5中的虛線(xiàn)框說(shuō)明了這種配置。

對于PC和其USB連接的便攜式觸摸屏設備來(lái)說(shuō)，如果具有3孔電源輸入的PC充電器插入了沒(méi)有地連接的電源插座，充電器干擾的一種特殊情況將會(huì )產(chǎn)生。Y電容將交流電源耦合到直流地輸出。相對較大的Y電容值能夠非常有效地耦合電源電壓，這使得較大的電源頻率電壓通過(guò)觸摸屏上的手指以相對較低的阻抗進(jìn)行耦合。

本文小結

當今廣泛用于便攜式設備的投射式電容觸摸屏很容易受到電磁干擾，來(lái)自?xún)炔炕蛲獠康母蓴_電壓會(huì )通過(guò)電容耦合到觸摸屏設備。這些干擾電壓會(huì )引起觸摸屏內的電荷運動(dòng)，這可能會(huì )對手指觸摸屏幕時(shí)的電荷運動(dòng)測量造成混淆。因此，觸摸屏系統的有效設計和優(yōu)化取決于對干擾耦合路徑的認識，以及對其盡可能地消減或是補償。

干擾耦合路徑涉及到寄生效應，例如：變壓器繞組電容和手指-設備電容。對這些影響進(jìn)行適當的建模，可以充分認識到干擾的來(lái)源和大小。

對于許多便攜式設備來(lái)說(shuō)，電池充電器構成觸摸屏主要的干擾來(lái)源。當操作人員手指接觸觸摸屏時(shí)，所產(chǎn)生的電容使得充電器干擾耦合電路得以關(guān)閉。充電器內部屏蔽設計的質(zhì)量和是否有適當的充電器接地設計，是影響充電器干擾耦合的關(guān)鍵因素。