觸摸屏電磁干擾源解析

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(duì)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(cè)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文主要針對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(shì)。Rx 通過觸摸屏控制器電路也被置于地電勢(shì)，同時(shí) Tx 電壓可變。變化的 Tx 電壓使電Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2流通過 Tx-Rx 電容。一個(gè)經(jīng)過精細(xì)測(cè)算過的 Rx 集成電路隔離并測(cè)量進(jìn)入 Rx 的電荷，測(cè)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(chǎng)。通過這種方式，手指觸摸減少 Tx-Rx 互感電容。電荷測(cè)量電路識(shí)別出電容變化(delta C)，因此，檢測(cè)到 Tx-Rx 連接點(diǎn)上方的手指。通過對(duì)所有 Tx-Rx 矩陣的交匯點(diǎn)進(jìn)行 delta C 測(cè)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。

專用術(shù)語

投射式電容觸摸屏干擾通過不易察覺的寄生路徑耦合產(chǎn)生。術(shù)語“地”通常用于指 DC 電路參考點(diǎn)或者指通過低阻抗連接到大地，兩者所指不同。實(shí)際上，對(duì)于便攜式觸摸屏裝置來說，這種差別正是觸摸耦合干擾產(chǎn)生的根本原因。為了分清和避免混淆，我們使用下列術(shù)語來討論觸摸屏干擾。

Earth(地) - 與大地連接，例如，通過 3 孔 AC 電源插座的地線連接到大地

Distributed Earth(分布式地) - 通過電容連接物體和大地

DC Ground(直流地) - 便攜式裝置的 DC 參考節(jié)點(diǎn)

DC Power(直流電源) - 便攜式裝置的電池電壓。或者與便攜式裝置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) - 為便攜式裝置電子器件(包括 LCD 和觸摸屏控制器)

Neutral(零線) - AC 電源回路，地電勢(shì)

Hot(火線) - AC 電源電壓，與地電勢(shì)相對(duì)

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。AC Vcom 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 LCD Vcom 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(jí)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(jí)-次級(jí)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)洹＿@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(hào)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(duì)地并聯(lián)阻抗特性，同時(shí)還取決于觸摸屏控制器對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)較低。

小結(jié)

當(dāng)今廣泛用于便攜式裝置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(huì)通過電容耦合到觸摸屏裝置，這些干擾電壓引起觸摸屏內(nèi)的電荷運(yùn)動(dòng)，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)，并對(duì)其盡可能進(jìn)行消減或補(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-裝置間電容。對(duì)這些影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕＃梢猿浞掷斫夂驼J(rèn)識(shí)到干擾的來源和大小。

對(duì)于許多便攜式裝置來說，電池充電器構(gòu)成觸摸屏主要的干擾來源。當(dāng)操作人員用手指接觸觸摸屏?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。