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(cè)量電容的微小變化來(lái)判別手指位置。在此類(lèi)觸摸屏應(yīng)用中，需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題是電磁干擾 (EMI)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。干擾引起的性能下降可能對(duì)觸摸屏設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響，本文將對(duì)這些干擾源進(jìn)行探討和分析。

 

1 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(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(jié)點(diǎn)都有一個(gè)特征電容。Tx ITO位于Rx ITO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(nèi)。

 

圖1：傳感器結(jié)構(gòu)參考。

 

2 傳感器工作原理

 

讓我們暫不考慮干擾因素，來(lái)對(duì)觸摸屏的工作進(jìn)行分析：操作人員的手指標(biāo)稱(chēng)處在地電勢(shì)。Rx通過(guò)觸摸屏控制器電路被保持在地電勢(shì)，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(xì)平衡過(guò)的Rx集成電路，隔離并測(cè)量進(jìn)入Rx的電荷，測(cè)量到的電荷代表連接Tx和Rx的“互電容”。

 

3 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(méi)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(yǔ)“投射式電容”由之而來(lái)。

 

圖2：未觸摸狀態(tài)下的磁力線。

 

4 傳感器狀態(tài)：觸摸

 

當(dāng)手指觸摸蓋板時(shí)，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(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(cè)量電路識(shí)別出變化的電容(△C)，從而檢測(cè)到Tx-Rx結(jié)點(diǎn)上方的手指。通過(guò)對(duì)Tx-Rx矩陣的所有交叉點(diǎn)進(jìn)行△C測(cè)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。

 

圖3：觸摸狀態(tài)下的磁力線。

 

5 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(jié)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(duì)于便攜式觸摸屏設(shè)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(píng)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連接到大地。

•Distributed Earth(分布式地)：物體到大地的電容連接。

•DC Ground(直流地)：便攜式設(shè)備的直流參考節(jié)點(diǎn)。

•DC Power(直流電源)：便攜式設(shè)備的電池電壓。或者與便攜式設(shè)備連接的充電器輸出電壓，例如USB接口充電器中的5V Vbus。

•DC VCC(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(chēng)處在地電勢(shì))。

•Hot(火線)：交流電源電壓，相對(duì)零線施加電能。

 

6 LCD Vcom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(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(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(jī))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(shù)乘積的1/2。一個(gè)典型的便 攜式設(shè)備的交流Vcom頻率可能為15kHz。圖4為L(zhǎng)CD Vcom電壓耦合到觸摸屏的示意圖。

 

圖4：LCD Vcom干擾耦合模型。

 

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線占據(jù)Tx陣列間距的整個(gè)寬度，線與線之間僅以制造所需的最小間距隔 開(kāi)。這種架構(gòu)被稱(chēng)為自屏蔽式，因?yàn)門(mén)x陣列將Rx陣列與LCD Vcom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(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(gè)ITO層上，并通過(guò)單獨(dú)的橋依次跨接各個(gè)陣列。因此，Tx陣列不能在LCD Vcom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。

 

7 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(jī)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(jī)充電器通常有交流電源火線和零線輸入，但 沒(méi)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(jí)線圈之間沒(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。

 

圖5：充電器干擾耦合模型。

 

注意：在這種情況下，充電器干擾是指設(shè)備相對(duì)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“共模”干擾。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(yùn)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。

 

8 充電器耦合阻抗

 

充電器開(kāi)關(guān)干擾通過(guò)變壓器初級(jí)-次級(jí)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(duì)分布式地的寄生并 聯(lián)電容補(bǔ)償。拿起設(shè)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(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(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電器產(chǎn)生的一種最壞情況的干擾。

 

9 充電器開(kāi)關(guān)干擾分量

 

典型的手機(jī)充電器采用反激式(flyback)電路拓?fù)洹＿@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(xì)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(kāi)關(guān)變壓器屏蔽上投入的設(shè)計(jì)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(fù)載下40~150kHz，負(fù)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(dá)電源峰值電壓的一半=Vrms/√2。

 

10 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(yuǎn)低于開(kāi)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(duì)地并聯(lián) 阻抗的特性，同時(shí)還取決于觸摸屏控制器對(duì)低頻的靈敏度。

 

圖6：充電器波形實(shí)例。

 

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(nèi)部把主電源的地引腳連接到輸 出的直流地。此類(lèi)充電器通常在火線和零線與地之間連接Y電容，從而抑制來(lái)自電源線上的傳導(dǎo)EMI。假設(shè)有意使地連接存在，這類(lèi)適配器不會(huì)對(duì)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(shuō)明了這種配置。

 

對(duì)于PC和其USB連接的便攜式觸摸屏設(shè)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(duì)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(duì)較低的阻抗進(jìn)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(lái)自?xún)?nèi)部或外部的干擾電壓會(huì)通過(guò)電容耦合到觸摸屏設(shè)備。這些干擾電壓會(huì)引起觸摸屏內(nèi)的電荷 運(yùn)動(dòng)，這可能會(huì)對(duì)手指觸摸屏幕時(shí)的電荷運(yùn)動(dòng)測(cè)量造成混淆。因此，觸摸屏系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化取決于對(duì)干擾耦合路徑的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)其盡可能地消減或是補(bǔ)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(duì)這些影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?，可以充分認(rèn)識(shí)到干擾的來(lái)源和大小。

 

對(duì)于許多便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池充電器構(gòu)成觸摸屏主要的干擾來(lái)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(jì)的質(zhì)量和是否有適當(dāng)?shù)某潆娖鹘拥卦O(shè)計(jì)，是影響充電器干擾耦合的關(guān)鍵因素。

 

 

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