觸摸屏電磁干擾源解析

開(kāi)發(fā)設計移動(dòng)手持裝置的觸摸屏人機界面是一項富有挑戰的復雜設計工作，尤其對于投射式電容觸摸屏設計來(lái)說(shuō)更是如此，而這項技術(shù)是當前多點(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(guò)測量電容的微小變化來(lái)判別手指位置。在此類(lèi)觸摸屏應用中，需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵設計問(wèn)題是電磁干擾(EMI)對系統性能的影響。本文主要針對造成系統性能下降、影響觸摸屏設計的干擾源進(jìn)行探討和分析。

投射式電容觸摸屏構成

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(kāi)。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。

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(guò)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Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2流通過(guò) Tx-Rx 電容。一個(gè)經(jīng)過(guò)精細測算過(guò)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(xiàn)示意圖。在沒(méi)有手指觸碰的情況下，Tx-Rx 磁力線(xiàn)占據蓋板內相當大空間。邊緣磁力線(xiàn)投射到電極外更遠的地方 - 因此稱(chēng)作“投射式電容”。

傳感器狀態(tài)：觸摸時(shí)

如圖 3 所示，當手指觸摸蓋板時(shí)，Tx 與手指之間形成的磁通線(xiàn)，取代大部分 Tx-Rx 邊緣磁場(chǎng)。通過(guò)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(guò)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(guò)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(zhuān)用術(shù)語(yǔ)

投射式電容觸摸屏干擾通過(guò)不易察覺(jué)的寄生路徑耦合產(chǎn)生。術(shù)語(yǔ)“地”通常用于指 DC 電路參考點(diǎn)或者指通過(guò)低阻抗連接到大地，兩者所指不同。實(shí)際上，對于便攜式觸摸屏裝置來(lái)說(shuō)，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(yǔ)來(lái)討論觸摸屏干擾。

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

Distributed Earth(分布式地) - 通過(guò)電容連接物體和大地

DC Ground(直流地) - 便攜式裝置的 DC 參考節點(diǎn)

DC Power(直流電源) - 便攜式裝置的電池電壓?；蛘吲c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(xiàn)) - AC 電源回路，地電勢

Hot(火線(xiàn)) - AC 電源電壓，與地電勢相對

LCD Vcom 耦合到觸摸屏接收線(xiàn)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)中，AC Vcom 電壓為 DC 地和 3.3V 之間來(lái)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(mǎn) Tx 和 Rx 陣列的隔離 ITO 層組成，中間為絕緣層。Tx 線(xiàn)占據整個(gè)Tx 陣列行距寬度，中間僅靠最小線(xiàn)間距隔開(kāi)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)所需。這種架構通常被稱(chēng)為自屏蔽式(self-shielded)，主要是因為 Tx 陣列把 Rx 陣列與 LCD Vcom 屏蔽開(kāi)。然而，通過(guò) Tx 帶間空隙，耦合依舊可能發(fā)生。為了降低架構成本，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)生潛在的嚴重 Vcom 干擾耦合。

充電器干擾

觸摸屏干擾的另一個(gè)潛在來(lái)源是電源供電之蜂窩電話(huà)充電器中的開(kāi)關(guān)電源。如圖 5 所示，干擾通過(guò)手指被耦合到觸摸屏上。小型蜂窩電話(huà)充電器通常有 AC 電源火線(xiàn)和零線(xiàn)輸入，但沒(méi)有連接地線(xiàn)。充電器是安全隔離的，所以在電源輸入和充電器次級線(xiàn)圈之間沒(méi)有 DC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(kāi)關(guān)噪聲，如果沒(méi)有被完全過(guò)濾掉，則可能會(huì )影響觸摸屏的正常運行。這種電源紋波抑制(PSRR)問(wèn)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(kāi)關(guān)干擾通過(guò)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(kāi)關(guān)干擾，避免干擾影響觸摸屏運行。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(kāi)關(guān)干擾構成

典型的蜂窩手機充電器采用反激式(flyback)電路拓撲。這種充電器所產(chǎn)生的干擾波形比較復雜，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(kāi)關(guān)變壓器屏蔽設計上投入的努力和成本。典型參數包括：

波形：包括復雜的脈寬調制方波和 LC 振鈴信號波形

頻率：額定負載下 40–150kHz，負載很高時(shí)，脈沖頻率或跳轉周期操作下降到 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(kāi)關(guān)電壓器件也產(chǎn)生幅值為電壓一半的正弦波。與開(kāi)關(guān)干擾相似，此電源電壓也是通過(guò)開(kāi)關(guān)隔離變壓器產(chǎn)生耦合。在 50Hz 或 60Hz 時(shí)，該組成部分的頻率遠低于開(kāi)關(guān)頻率，其產(chǎn)生的有效耦合阻抗更高。電壓干擾的嚴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部連接到輸出的 DC 地。此類(lèi)充電器通常在火線(xiàn)和零線(xiàn)以及地線(xiàn)間連接 Y 類(lèi)電容器，從而抑制來(lái)自電源線(xiàn)上的 EMI。假設地線(xiàn)連接存在，該類(lèi)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(xiàn)框說(shuō)明了此種配置。

對于 PC 和連接 USB 的便攜式觸摸屏裝置來(lái)說(shuō)，PC 充電器的 3 孔電源插頭插入沒(méi)有地線(xiàn)連接的電源插座，這是充電器干擾的一種特殊情況。Y 類(lèi)電容器耦合 AC 電源到 DC 輸出地。相對而言，較大的 Y 類(lèi)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(guò)觸摸屏上手指產(chǎn)生的阻抗耦合相對較低。

小結

當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(lái)自?xún)炔炕蛲獠康母蓴_電壓會(huì )通過(guò)電容耦合到觸摸屏裝置，這些干擾電壓引起觸摸屏內的電荷運動(dòng)，可能會(huì )對手指觸摸屏幕時(shí)的電荷運動(dòng)測量造成混淆。因此，觸摸屏系統的有效設計和優(yōu)化取決于對干擾耦合路徑的認識，并對其盡可能進(jìn)行消減或補償。

干擾耦合路徑涉及到寄生效應，例如變壓器繞組電容和手指-裝置間電容。對這些影響進(jìn)行適當的建模，可以充分理解和認識到干擾的來(lái)源和大小。

對于許多便攜式裝置來(lái)說(shuō)，電池充電器構成觸摸屏主要的干擾來(lái)源。當操作人員用手指接觸觸摸屏時(shí)，所產(chǎn)生的電容使得充電器干擾耦合電路得以關(guān)閉。充電器內部屏蔽設計的質(zhì)量和是否有適當的充電器接地設計，是影響充電器干擾耦合的關(guān)鍵因素。