【導(dǎo)讀】投射式電容觸摸屏能夠根據(jù)手指輕觸屏幕進(jìn)行的觸摸定位。它通過(guò)測(cè)量電容的微小變化來(lái)確定手指的位置。開發(fā)具有觸摸屏界面的移動(dòng)手持設(shè)備可能是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于代表當(dāng)前多點(diǎn)觸控界面主流技術(shù)的投射式電容觸摸屏而言。此類觸摸屏應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素是電磁干擾 (EMI) 對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在本文中，我們將探討可能對(duì)觸摸屏設(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響的干擾導(dǎo)致性能下降的，以及如何減輕它們的影響。
投射式電容觸摸屏能夠根據(jù)手指輕觸屏幕進(jìn)行的觸摸定位。它通過(guò)測(cè)量電容的微小變化來(lái)確定手指的位置。開發(fā)具有觸摸屏界面的移動(dòng)手持設(shè)備可能是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于代表當(dāng)前多點(diǎn)觸控界面主流技術(shù)的投射式電容觸摸屏而言。此類觸摸屏應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素是電磁干擾 (EMI) 對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在本文中，我們將探討可能對(duì)觸摸屏設(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響的干擾導(dǎo)致性能下降的，以及如何減輕它們的影響。
投射電容觸摸屏幾何結(jié)構(gòu)
典型的投射電容傳感器安裝在玻璃或塑料蓋板的下面。圖 1 顯示了兩層型傳感器的簡(jiǎn)化邊緣視圖。發(fā)射 (Tx) 和接收 (Rx) 電極繪制在透明的氧化銦錫 (ITO) 中，形成交叉跡線矩陣，每個(gè) Tx-Rx 結(jié)都具有特征電容。Tx ITO 位于 Rx ITO 下方，由一層薄薄的聚合物薄膜和/或光學(xué)透明粘合劑 (OCA) 隔開。如圖所示，Tx電極從左向右運(yùn)行，Rx電極運(yùn)行到頁(yè)面中。
圖 1： 傳感器幾何參考
傳感器正常運(yùn)行
操作員的手指名義上處于地電位。觸摸屏控制器電路將 Rx 保持在地電位，并改變 Tx 電壓。變化的 Tx 電壓會(huì)感應(yīng)電流流過(guò) Tx-Rx 電容。精心平衡的 Rx 積分電路隔離并測(cè)量進(jìn)入 Rx 的電荷移動(dòng)。該測(cè)量電荷表示連接 Tx 和 Rx 的“互電容”。
傳感器條件：未觸及
圖 2 顯示了未觸及條件下的磁通線。在沒有手指觸摸的情況下，Tx-Rx 場(chǎng)線會(huì)占據(jù)蓋板內(nèi)相當(dāng)大的空間。這些邊緣場(chǎng)線投射到電極幾何形狀之外——因此稱為“投射電容”。
圖 2： 未觸及的通量線
傳感器條件：觸摸
當(dāng)手指觸摸蓋板時(shí)，Tx 和手指之間會(huì)形成通量線，從而取代大部分 Tx-Rx 邊緣場(chǎng)，如圖3所示。以這種方式，手指觸摸減少了Tx-Rx互電容。電荷測(cè)量電路識(shí)別這種變化的電容 (delta C)，并檢測(cè)到手指在 Tx-Rx 結(jié)點(diǎn)上方的存在。通過(guò)在 Tx-Rx 矩陣中的所有交叉點(diǎn)進(jìn)行 delta C 測(cè)量，生成面板上的觸摸圖。
圖 3： 接觸的磁通線
圖 3 展示了一個(gè)重要的附加效應(yīng)：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 上。某種程度的 finger-Rx 耦合是不可避免的。
有用的術(shù)語(yǔ)
投射式電容觸摸屏中的干擾是通過(guò)不完全直觀的寄生路徑耦合的。術(shù)語(yǔ)“接地”通常可互換使用，指的是直流電路參考節(jié)點(diǎn)或與地球的低電阻連接。這些不是相同的術(shù)語(yǔ)。事實(shí)上，對(duì)于便攜式觸摸屏設(shè)備而言，這種差異是觸摸耦合干擾的本質(zhì)原因。為了澄清和防止混淆，我們將在評(píng)估觸摸屏干擾時(shí)使用以下術(shù)語(yǔ)。
接地 ——連接到地球，例如通過(guò) 3 針交流電源插座的接地針
分布式地球 ——物體與地球的電容連接
直流接地 (GND) – 便攜式設(shè)備的直流參考節(jié)點(diǎn)
直流電源 ——便攜式設(shè)備的電池電壓。或者，連接到便攜式設(shè)備的充電器的輸出電壓，例如 USB 接口充電器的 5V Vbus。
DC VCC – 為便攜式設(shè)備電子設(shè)備供電的穩(wěn)壓電壓，包括 LCD 和觸摸屏控制器
中性- 交流電源返回，標(biāo)稱地電位
熱– 交流電源電壓，相對(duì)于中性點(diǎn)通電
耦合到觸摸屏接收線的 LCD Vcom
便攜式設(shè)備觸摸屏可以直接安裝在 LCD 顯示器上。在典型的 LCD 配置中，液晶材料偏置在上下透明電極之間。下電極定義顯示器的各個(gè)像素。上部公共電極是橫跨顯示器可見正面的連續(xù)平面，偏置電壓為 Vcom。在手機(jī)等典型低壓便攜式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的交流 Vcom 電壓是在直流接地和 3.3V 之間振蕩的方波。AC Vcom 平面通常每顯示行切換，因此產(chǎn)生的 AC Vcom 頻率是顯示幀刷新率乘以行數(shù)的一半。典型的便攜式設(shè)備 AC Vcom 頻率可能為 15 kHz。圖 4 顯示了 LCD Vcom 電壓如何耦合到觸摸屏中。
圖 4： LCD Vcom 干擾耦合模型
兩層觸摸屏是通過(guò) Tx 和 Rx 陣列在單獨(dú)的 ITO 層上實(shí)現(xiàn)的，由介電層隔開。Txtraces 占據(jù) Tx 陣列間距的整個(gè)寬度，僅由制造所需的 trace-trace 間隙分隔。這種類型的結(jié)構(gòu)稱為自屏蔽，因?yàn)?Tx 陣列將 Rx 陣列與 LCD Vcom 屏蔽開來(lái)。然而，仍有可能通過(guò) Tx 條帶之間的間隙發(fā)生耦合。
為了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和實(shí)現(xiàn)更好的透明度，單層觸摸屏在單個(gè) ITO 層上實(shí)現(xiàn)了 Tx 和 Rx 陣列，并應(yīng)用了單獨(dú)的分立橋來(lái)跨越一個(gè)陣列。因此，Tx 陣列不會(huì)在 LCD Vcom 平面和傳感器 Rx 電極之間形成屏蔽層。這表示潛在的嚴(yán)重 Vcom 干擾耦合情況。
充電器干擾
觸摸屏干擾的潛在是市電手機(jī)充電器中的開關(guān)電源。干擾通過(guò)手指耦合到觸摸屏，如圖5所示。小型手機(jī)充電器通常具有交流電源火線和零線輸入，但沒有接地連接。充電器是安全隔離的，因此電源輸入和充電器次級(jí)之間沒有直流連接。但是，開關(guān)電源隔離變壓器仍然存在電容耦合。充電器干擾的返回路徑是通過(guò)手指觸摸屏幕。
請(qǐng)注意，在這種情況下，充電器干擾是指相對(duì)于地向設(shè)備施加的電壓。這種干擾可能被描述為“共模”，因?yàn)樗瑯映霈F(xiàn)在直流接地和直流電源上。如果沒有充分過(guò)濾，充電器輸出直流地和直流電源之間出現(xiàn)的電源開關(guān)噪聲可能會(huì)影響觸摸屏操作。此電源抑制比 (PSRR) 是一個(gè)單獨(dú)的問(wèn)題，本方案未解決。
圖 5： 充電器干擾耦合模型
充電器耦合阻抗
充電器開關(guān)干擾由變壓器初級(jí)-次級(jí)繞組漏電容耦合，約為 20 pF。這種弱耦合的影響被充電器電纜和受電設(shè)備本身中出現(xiàn)的分布式接地寄生分流電容所抵消。將設(shè)備握在手中應(yīng)用更多分流，通常足以有效縮短充電器開關(guān)干擾并防止干擾觸摸操作。當(dāng)便攜式設(shè)備連接到充電器并放在桌面上并且操作者的手指僅接觸觸摸屏?xí)r，會(huì)出現(xiàn)壞情況的充電器產(chǎn)生的干擾情況。
充電器開關(guān)干擾組件
典型的手機(jī)充電器使用反激式電路拓?fù)洹Ｋ鼈儺a(chǎn)生的干擾波形很復(fù)雜，并且在充電器之間變化很大，具體取決于電路細(xì)節(jié)和輸出電壓控制策略。干擾幅度有很大差異，這取決于制造商為開關(guān)變壓器中的屏蔽分配的設(shè)計(jì)工作量和單位成本。典型參數(shù)包括：
波形：復(fù)雜，由脈沖寬度調(diào)制方波和隨后的 LC 振鈴組成
頻率：標(biāo)稱負(fù)載下為 40 – 150 kHz，當(dāng)負(fù)載非常輕時(shí)，脈沖頻率或跳周期操作將頻率降至 < 2 kHz
電壓：高達(dá)電源峰值電壓的二分之一 = Vrms / sqrt(2)
圖 6
充電器市電干擾元件
在充電器前端內(nèi)部，交流市電電壓經(jīng)過(guò)整流后產(chǎn)生充電器高壓軌。因此，充電器開關(guān)電壓分量處于電源電壓二分之一的正弦波上。與開關(guān)干擾類似，該電源電壓也通過(guò)開關(guān)隔離變壓器耦合。在 50 或 60 Hz 時(shí)，該組件的頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，因此其有效耦合阻抗成比例地更高。電源電壓干擾的重要性取決于對(duì)地分流阻抗的特性以及觸摸屏控制器對(duì)低頻的靈敏度。
電源干擾特殊情況：3 針插頭未接地
額定功率更高的電源適配器，如筆記本電腦交流適配器，可能配備 3 針交流電源插頭。為了抑制輸出端的 EMI，充電器可能會(huì)將電源接地引腳內(nèi)部連接到輸出直流接地端。此類充電器通常將 Y 電容器從電源線和中性線連接到地，以抑制電源上的傳導(dǎo) EMI。如果按預(yù)期存在接地連接，則此類適配器不會(huì)對(duì)通電 PC 和 USB 連接的便攜式觸摸屏設(shè)備造成干擾問(wèn)題。這種配置由圖 5中的虛線框表示。
如果將具有 3 針電源輸入的 PC 充電器插入沒有接地連接的電源插座，則 PC 及其 USB 連接的便攜式觸摸屏設(shè)備會(huì)發(fā)生充電器干擾的特殊情況。Y 電容器將交流電源耦合到輸出直流地。相對(duì)較大值的 Y 電容器非常有效地耦合電源電壓，導(dǎo)致通過(guò)觸摸屏上的手指以相對(duì)較低的阻抗耦合較大的電源頻率電壓。
總結(jié)
當(dāng)今便攜式設(shè)備中普遍使用的投射式電容觸摸屏容易受到電磁干擾。干擾電壓從觸摸屏設(shè)備內(nèi)部和外部的源電容耦合。這些干擾電壓會(huì)導(dǎo)致觸摸屏內(nèi)的電荷移動(dòng)，這可能與由于手指觸摸屏幕而測(cè)量到的電荷移動(dòng)相混淆。觸摸屏系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化取決于了解干擾耦合路徑并盡可能地減輕或補(bǔ)償它們。
干擾耦合路徑涉及寄生效應(yīng)，例如變壓器繞組電容和手指設(shè)備電容。對(duì)這些影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕？梢栽敿?xì)了解干擾的和大小。
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