投射式電容觸摸屏電磁干擾問題解決方案
2022-03-30 14:03:56
開發(fā)具有觸摸屏人機界面的移動手持設(shè)備是一項復(fù)雜的設(shè)計挑戰(zhàn)，尤其是對于投射式電容觸摸屏設(shè)計來說更是如此，它代表了當(dāng)前多點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，它通過測量電容的微小變化來判別手指位置。在此類觸摸屏應(yīng)用中，需要考慮的一個關(guān)鍵設(shè)計問題是電磁干擾(EMI)對系統(tǒng)性能的影響。干擾引起的性能下降可能對觸摸屏設(shè)計產(chǎn)生不利影響，本文將對這些干擾源進行探討和分析。
投射式電容觸摸屏結(jié)構(gòu)
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Tx-Rx結(jié)點都有一個特征電容。TxITO位于RxITO下方，由一層聚合物薄膜或光學(xué)膠(OCA)隔開。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(nèi)。
傳感器工作原理
讓我們暫不考慮干擾因素，來對觸摸屏的工作進行分析：操作人員的手指標(biāo)稱處在地電勢。Rx通過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Tx-Rx電容。一個仔細平衡過的Rx集成電路，隔離并測量進入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)下的磁力線示意圖。在沒有手指觸碰的情況下，Tx-Rx磁力線占據(jù)了蓋板內(nèi)相當(dāng)大的空間。邊緣磁力線投射到電極結(jié)構(gòu)之外，因此，術(shù)語“投射式電容”由之而來。
傳感器狀態(tài)：觸摸
當(dāng)手指觸摸蓋板時，Tx與手指之間形成磁力線，這些磁力線取代了大量的Tx-Rx邊緣磁場，如圖3所示。通過這種方式，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(jié)點上方的手指。通過對Tx-Rx矩陣的所有交叉點進行△C測量，便可得到整個面板的觸摸分布圖。
圖3還顯示出另外一個重要影響：手指和Rx電極之間的電容耦合。通過這條路徑，電干擾可能會耦合到Rx。某些程度的手指-Rx耦合是不可避免的。
專用術(shù)語
投射式電容觸摸屏的干擾通過不易察覺的寄生路徑耦合產(chǎn)生。術(shù)語“地”通常既可用于指直流電路的參考節(jié)點，又可用于指低阻抗連接到大地：二者并非相同術(shù)語。實際上，對于便攜式觸摸屏設(shè)備來說，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)語來評估觸摸屏干擾。
Earth(地)：與大地相連，例如，通過3孔交流電源插座的地線連接到大地。
DistributedEarth(分布式地)：物體到大地的電容連接。
DCGround(直流地)：便攜式設(shè)備的直流參考節(jié)點。
DCPower(直流電源)：便攜式設(shè)備的電池電壓?；蛘吲c便攜式設(shè)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(shè)備電子器件(包括LCD和觸摸屏控制器)供電的穩(wěn)定電壓。
Neutral(零線)：交流電源回路(標(biāo)稱處在地電勢)。
Hot(火線)：交流電源電壓，相對零線施加電能。
LCDVcom耦合到觸摸屏接收線路
便攜式設(shè)備觸摸屏可以直接安裝到LCD顯示屏上。在典型的LCD架構(gòu)中，液晶材料由透明的上下電極提供偏置。下方的多個電極決定了顯示屏的多個單像素;上方的公共電極則是覆蓋顯示屏整個可視前端的連續(xù)平面，它偏置在電壓Vcom。在典型的低壓便攜式設(shè)備(例如手機)中，交流Vcom電壓為在直流地和3.3V之間來回震蕩的方波。交流Vcom電平通常每個顯示行切換一次，因此，所產(chǎn)生的交流Vcom頻率為顯示幀刷新率與行數(shù)乘積的1/2。一個典型的便攜式設(shè)備的交流Vcom頻率可能為15kHz。圖4為LCDVcom電壓耦合到觸摸屏的示意圖。
雙層觸摸屏由布滿Tx陣列和Rx陣列的分離ITO層組成，中間用電介質(zhì)層隔開。Tx線占據(jù)Tx陣列間距的整個寬度，線與線之間僅以制造所需的最小間距隔開。這種架構(gòu)被稱為自屏蔽式，因為Tx陣列將Rx陣列與LCDVcom屏蔽開。然而，通過Tx帶間空隙，耦合仍然可能發(fā)生。
為降低架構(gòu)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ITO層上，并通過單獨的橋依次跨接各個陣列。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(yán)重的Vcom干擾耦合情況。
充電器干擾
觸摸屏干擾的另一個潛在來源是電源供電手機充電器的開關(guān)電源。干擾通過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和零線輸入，但沒有地線連接。充電器是安全隔離的，所以在電源輸入和充電器次級線圈之間沒有直流連接。然而，這仍然會通過開關(guān)電源隔離變壓器產(chǎn)生電容耦合。充電器干擾通過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(shè)備相對于地的外加電壓。這種干擾可能會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)生的電源開關(guān)噪聲，如果沒有被充分濾除，則可能會影響觸摸屏的正常運行。這種電源抑制比(PSRR)問題是另外一個問題，本文不做討論。
充電器耦合阻抗
充電器開關(guān)干擾通過變壓器初級-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(xiàn)在充電器線纜和受電設(shè)備本身相對分布式地的寄生并聯(lián)電容補償。拿起設(shè)備時，并聯(lián)電容將增加，這通常足以消除充電器開關(guān)干擾，避免干擾影響觸摸操作。當(dāng)便攜式設(shè)備連接到充電器并放在桌面上，并且操作人員的手指僅與觸摸屏接觸時，將會出現(xiàn)充電器產(chǎn)生的一種最壞情況的干擾。
充電器開關(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(fù)雜，并且隨充電器不同而差異很大，它取決于電路細節(jié)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關(guān)變壓器屏蔽上投入的設(shè)計努力和單位成本。典型參數(shù)包括：
波形：包括復(fù)雜的脈寬調(diào)制方波和LC振鈴波形。頻率：額定負載下40~150kHz，負載很輕時，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，充電器的開關(guān)電壓分量疊加在一個電源電壓一半的正弦波上。與開關(guān)干擾相似，此電源電壓也是通過開關(guān)隔離變壓器形成耦合。在50Hz或60Hz時，該分量的頻率遠低于開關(guān)頻率，因此，其有效的耦合阻抗相應(yīng)更高。電源電壓干擾的嚴(yán)重程度取決于對地并聯(lián)阻抗的特性，同時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(nèi)部把主電源的地引腳連接到輸出的直流地。此類充電器通常在火線和零線與地之間連接Y電容，從而抑制來自電源線上的傳導(dǎo)EMI。假設(shè)有意使地連接存在，這類適配器不會對供電PC和USB連接的便攜式觸摸屏設(shè)備造成干擾。圖5中的虛線框說明了這種配置。
對于PC和其USB連接的便攜式觸摸屏設(shè)備來說，如果具有3孔電源輸入的PC充電器插入了沒有地連接的電源插座，充電器干擾的一種特殊情況將會產(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觸摸屏上的手指以相對較低的阻抗進行耦合。
本文小結(jié)
當(dāng)今廣泛用于便攜式設(shè)備的投射式電容觸摸屏很容易受到電磁干擾，來自內(nèi)部或外部的干擾電壓會通過電容耦合到觸摸屏設(shè)備。這些干擾電壓會引起觸摸屏內(nèi)的電荷運動，這可能會對手指觸摸屏幕時的電荷運動測量造成混淆。因此，觸摸屏系統(tǒng)的有效設(shè)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(yīng)，例如：變壓器繞組電容和手指-設(shè)備電容。對這些影響進行適當(dāng)?shù)慕?，可以充分認識到干擾的來源和大小。
對于許多便攜式設(shè)備來說，電池充電器構(gòu)成觸摸屏主要的干擾來源。當(dāng)操作人員手指接觸觸摸屏?xí)r，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(nèi)部屏蔽設(shè)計的質(zhì)量和是否有適當(dāng)?shù)某潆娖鹘拥卦O(shè)計，是影響充電器干擾耦合的關(guān)鍵因素。
