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深度解析電容觸摸屏電磁干擾源
2017-09-07 11:23
為什么電容觸摸屏手機(jī)充電會(huì)導(dǎo)致觸摸屏工作異常？
開發(fā)設(shè)計(jì)移動(dòng)手持裝置的觸摸屏人機(jī)界面是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)工作，尤其對于投射式電容觸摸屏設(shè)計(jì)來說更是如此，而這項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前多點(diǎn)觸摸界面的主流。投射式電容觸摸屏能夠精確定位屏幕上手指輕觸的位置，他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(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題是電磁干擾(EMI)對系統(tǒng)性能的影響。本文主要針對造成系統(tǒng)性能下降、影響觸摸屏設(shè)計(jì)的干擾源進(jìn)行探討和分析。
投射式電容觸摸屏構(gòu)成
投射式電容傳感器通常安裝在玻璃或塑料透明蓋板下方。圖 1顯示雙層式傳感器簡易側(cè)面圖。發(fā)射（Tx）和接收（Rx）電極連接到透明銦錫氧化物（ITO），組成交叉矩陣，每個(gè)Tx - Rx 接點(diǎn)上都有一個(gè)特殊電容。Tx ITO 位于 Rx ITO 下方，被一層薄薄的聚合物薄膜和/或光學(xué)膠（OCA）隔開。如圖所示，Tx 電極方向從左至右，Rx 電極方向從紙外指向紙內(nèi)。
傳感器工作原理
讓我們暫時(shí)不考慮干擾因素，對觸摸屏工作原理進(jìn)行分析：通常操作人員的手指處于地電勢。Rx 通過觸摸屏控制器電路也被置于地電勢，同時(shí) Tx 電壓可變。變化的 Tx 電壓使電流通過 Tx-Rx 電容。一個(gè)經(jīng)過精細(xì)測算過的 Rx 集成電路隔離并測量進(jìn)入 Rx 的電荷，測量的電荷代表與 Tx和Rx相連的“互感電容”。
傳感器狀態(tài)：未觸摸
圖 2 顯示未觸摸狀態(tài)下磁通線示意圖。在沒有手指觸碰的情況下，Tx-Rx 磁力線占據(jù)蓋板內(nèi)相當(dāng)大空間。邊緣磁力線投射到電極外更遠(yuǎn)的地方 - 因此稱作“投射式電容”。
傳感器狀態(tài)：觸摸時(shí)
如圖 3 所示，當(dāng)手指觸摸蓋板時(shí)，Tx 與手指之間形成的磁通線，取代大部分 Tx-Rx 邊緣磁場。通過這種方式，手指觸摸減少 Tx-Rx 互感電容。電荷測量電路識別出電容變化(delta C)，因此，檢測到Tx-Rx連接點(diǎn)上方的手指。通過對所有 Tx-Rx矩陣的交匯點(diǎn)進(jìn)行delta C測量，可以得到整個(gè)面板的觸摸分布圖。
圖 3 還顯示出另一個(gè)重要的影響：手指和 Rx 電極之間產(chǎn)生耦合電容，通過這條路徑，電子干擾可能會(huì)耦合到Rx。在一定程度上，手指-Rx間耦合是不可避免的。
LCD Vcom耦合到觸摸屏接收線路
便攜式裝置觸摸屏可以直接安裝到 LCD顯示屏上。典型的 LCD架構(gòu)中，液晶材料在透明的高低電極之間發(fā)生偏置。低電極決定顯示屏的單個(gè)像素，而高電極通常是連續(xù)平面，覆蓋整個(gè)顯示屏可視前端，在電壓 Vcom 產(chǎn)生偏置。在典型低壓便攜式裝置（例如手機(jī)）中，AC Vcom電壓為 DC地和3.3V之間來回震蕩的方波。ACVcom電平通常每個(gè)顯示行切換一次，因此所產(chǎn)生的 AC Vcom 頻率為顯示幀刷新率的 1/2 與行數(shù)的乘積。典型的便攜式裝置 AC Vcom頻率通常為 15kHz。圖 4為 LCD Vcom電壓與觸摸屏耦合示意圖。
雙層觸摸屏通常由布滿 Tx和 Rx陣列的隔離 ITO層組成，中間為絕緣層。Tx線占據(jù)整個(gè)Tx 陣列行距寬度，中間僅靠最小線間距隔開，以滿足生產(chǎn)所需。這種架構(gòu)通常被稱為自屏蔽式(self-shielded)，主要是因?yàn)?Tx陣列把 Rx陣列與 LCDVcom屏蔽開。然而，通過 Tx帶間空隙，耦合依舊可能發(fā)生。
為了降低架構(gòu)成本，并獲得更好的透視性，單層觸摸屏將 Tx 和 Rx陣列安裝在單個(gè) ITO層上，每個(gè)獨(dú)立的連接依次跨越每個(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。這可能發(fā)生潛在的嚴(yán)重Vcom干擾耦合。
充電器干擾
觸摸屏干擾的另一個(gè)潛在來源是電源供電之蜂窩電話充電器中的開關(guān)電源。如圖 5所示，干擾通過手指被耦合到觸摸屏上。小型蜂窩電話充電器通常有 AC 電源火線和零線輸入，但沒有連接地線。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 DC連接。然而，這仍然會(huì)通過開關(guān)電源隔離變壓器產(chǎn)生電容耦合。充電器干擾源在屏幕上觸摸的手指上產(chǎn)生返回路徑。
注意，在這種情況下，充電器干擾是指裝置供電電壓與大地之間的干擾，這種干擾可能被當(dāng)成 DC 電源和 DC 地之間的“共模”干擾。在充電器輸出的 DC 電源和 DC 地之間所產(chǎn)生的電源開關(guān)噪聲，如果沒有被完全過濾掉，則可能會(huì)影響觸摸屏的正常運(yùn)行。這種電源紋波抑制（PSRR）問題是另外一種干擾情況，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。這種弱電容耦合現(xiàn)象可以被充電器和裝置本身所產(chǎn)生的寄生并聯(lián)電容抵消。拿起裝置時(shí)，并聯(lián)電容將增加，這通常足以消除充電器開關(guān)干擾，避免干擾影響觸摸屏運(yùn)行。充電器產(chǎn)生干擾的最壞一種情況是，便攜式裝置放在桌面上并連接到充電器，同時(shí)操作人員手指與觸摸屏接觸。
充電器開關(guān)干擾構(gòu)成
典型的蜂窩手機(jī)充電器采用反激式(flyback)電路拓?fù)?。這種充電器所產(chǎn)生的干擾波形比較復(fù)雜，而且不同充電器產(chǎn)生的干擾波形差異很大，他取決于電路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)變壓器屏蔽設(shè)計(jì)上投入的努力和成本。典型參數(shù)包括：
● 波形：包括復(fù)雜的脈寬調(diào)制方波和 LC振鈴信號波形
● 頻率：額定負(fù)載下 40–150kHz，負(fù)載很高時(shí)，脈沖頻率或跳轉(zhuǎn)周期操作下降到 2kHz以下
● 電壓：最高為峰值電壓的一半= Vrms / sqrt(2)
充電器電源干擾構(gòu)成
在充電器前端，AC 電源電壓整流產(chǎn)生充電器高電壓，這樣，充電器開關(guān)電壓器件也產(chǎn)生幅值為電壓一半的正弦波。與開關(guān)干擾相似，此電源電壓也是通過開關(guān)隔離變壓器產(chǎn)生耦合。在 50Hz 或 60Hz 時(shí)，該組成部分的頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，其產(chǎn)生的有效耦合阻抗更高。電壓干擾的嚴(yán)重程度取決于對地并聯(lián)阻抗特性，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：3孔插頭不帶接地功能
額定功率較高的電源適配器，例如筆記本電腦 AC 適配器，可能會(huì)配置3 孔 AC 電源插頭。為了抑制輸出端 EMI，充電器可能把主電源地引腳內(nèi)部連接到輸出的 DC地。此類充電器通常在火線和零線以及地線間連接 Y 類電容器，從而抑制來自電源線上的 EMI。假設(shè)地線連接存在，該類適配器不會(huì)對供電 PC 和 USB 連接的便攜式觸摸屏裝置造成干擾。圖 5中的虛線框說明了此種配置。
對于 PC 和連接 USB 的便攜式觸摸屏裝置來說，PC 充電器的 3 孔電源插頭插入沒有地線連接的電源插座，這是充電器干擾的一種特殊情況。Y 類電容器耦合 AC 電源到 DC 輸出地。相對而言，較大的 Y 類電容器值能夠更有效的耦合電源電壓，這使得較大電源頻率電壓通過觸摸屏上手指產(chǎn)生的阻抗耦合相對較低。
帶有電容觸摸輸入的MCU，如SLIICON LABS最新的EFM8 Sleepy Bee系列MCU也面臨著和電容觸摸屏類似的干擾因素(電磁干擾、電源噪聲等)，甚至由于使用場合的不同，還可能受到灰塵、鹽霧、潮濕的侵蝕。這些都會(huì)對電容觸摸的靈敏度、抗干擾性能造成影響。幸好EFM8 Sleepy Bee系列MCU的電容觸摸輸入端口，可通過配置輸入端口的增益，改變輸入閾值的大小，來調(diào)節(jié)其靈敏度。從而可以消除外部干擾的影響。
