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浅谈投射式电容触摸屏的电磁干扰问题的解决方案

开发具有触摸屏人机界面的移动手持设备是一项复杂的设计挑战,尤其是对于投射式电容触摸屏设计来说更是如此,它代表了当前多点触摸界面的主流技术。投射式电容触摸屏能够精确定位手指轻触屏幕的位置,它通过测量电容的微小变化来判别手指位置。在此类触摸屏应用中,需要考虑的一个关键设计问题是电磁干扰 (EMI)对系统性能的影响。干扰引起的性能下降可能对触摸屏设计产生不利影响,本文将对这些干扰源进行探讨和分析。

投射式电容触摸屏结构

典型的投射式电容传感器安装在玻璃或塑料盖板下方。图1所示为双层式传感器的简化边视图。发射(Tx)和接收(Rx)电极连接到透明的氧化铟锡 (ITO),形成交叉矩阵,每个Tx-Rx结点都有一个特征电容。Tx ITO位于Rx ITO下方,由一层聚合物薄膜或光学胶(OCA)隔开。如图所示,Tx电极的方向从左至右,Rx电极的方向从纸外指向纸内。

传感器工作原理

让我们暂不考虑干扰因素,来对触摸屏的工作进行分析:操作人员的手指标称处在地电势。Rx通过触摸屏控制器电路被保持在地电势,而Tx电压则可变。变化的 Tx电压使电流通过Tx-Rx电容。一个仔细平衡过的Rx集成电路,隔离并测量进入Rx的电荷,测量到的电荷代表连接Tx和Rx的“互电容”。

传感器状态:未触摸

图2显示了未触摸状态下的磁力线示意图。在没有手指触碰的情况下,Tx-Rx磁力线占据了盖板内相当大的空间。边缘磁力线投射到电极结构之外,因此,术语“投射式电容”由之而来。

传感器状态:触摸

当手指触摸盖板时,Tx与手指之间形成磁力线,这些磁力线取代了大量的Tx-Rx边缘磁场,如图3所示。通过这种方式,手指触摸减少了Tx-Rx互电容。 电荷测量电路识别出变化的电容(△C),从而检测到Tx-Rx结点上方的手指。通过对Tx-Rx矩阵的所有交叉点进行△C测量,便可得到整个面板的触摸分 布图。
图3还显示出另外一个重要影响:手指和Rx电极之间的电容耦合。通过这条路径,电干扰可能会耦合到Rx。某些程度的手指-Rx耦合是不可避免的。

专用术语

投射式电容触摸屏的干扰通过不易察觉的寄生路径耦合产生。术语“地”通常既可用于指直流电路的参考节点,又可用于指低阻抗连接到大地:二者并非相同术语。 实际上,对于便携式触摸屏设备来说,这种差别正是引起触摸耦合干扰的根本原因。为了澄清和避免混淆,我们使用以下术语来评估触摸屏干扰。
. Earth(地):与大地相连,例如,通过3孔交流电源插座的地线连接到大地。
. Distributed Earth(分布式地):物体到大地的电容连接。
. DC Ground(直流地):便携式设备的直流参考节点。
. DC Power(直流电源):便携式设备的电池电压。或者与便携式设备连接的充电器输出电压,例如USB接口充电器中的5V Vbus。
. DC VCC(直流VCC电源):为便携式设备电子器件(包括LCD和触摸屏控制器)供电的稳定电压。
. Neutral(零线):交流电源回路(标称处在地电势)。
. Hot(火线):交流电源电压,相对零线施加电能。
LCD Vcom耦合到触摸屏接收线路
便携式设备触摸屏可以直接安装到LCD显示屏上。在典型的LCD架构中,液晶材料由透明的上下电极提供偏置。下方的多个电极决定了显示屏的多个单像素;上 方的公共电极则是覆盖显示屏整个可视前端的连续平面,它偏置在电压Vcom。在典型的低压便携式设备(例如手机)中,交流Vcom电压为在直流地和 3.3V之间来回震荡的方波。交流Vcom电平通常每个显示行切换一次,因此,所产生的交流Vcom频率为显示帧刷新率与行数乘积的1/2。一个典型的便 携式设备的交流Vcom频率可能为15kHz。图4为LCD Vcom电压耦合到触摸屏的示意图。
双层触摸屏由布满Tx阵列和Rx阵列的分离ITO层组成,中间用电介质层隔开。Tx线占据Tx阵列间距的整个宽度,线与线之间仅以制造所需的最小间距隔 开。这种架构被称为自屏蔽式,因为Tx阵列将Rx阵列与LCD Vcom屏蔽开。然而,通过Tx带间空隙,耦合仍然可能发生。
为降低架构成本并获得更好的透明度,单层触摸屏将Tx和Rx阵列安装在单个ITO层上,并通过单独的桥依次跨接各个阵列。因此,Tx阵列不能在LCD Vcom平面和传感器Rx电极之间形成屏蔽层。这有可能发生严重的Vcom干扰耦合情况。
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