S-Touch電容式觸摸控制器PCB布局指南

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介紹

本應用指南旨在為S-Touch電容觸摸感應設計所用的各種PCB(印刷電路板) (如FR4、柔性PCB 或 ITO面板)的結構和布局提供設計布局指導。

在目前市場上可提供的PCB基材中，FR4是最常用的一種。 FR4是一種玻璃纖維增強型環氧樹脂層壓板，PCB可以是單層或多層。

在觸摸模塊的尺寸受限的情況下，使用單層PCB不是總能行得通的，通常使用四層或兩層PCB。 我們將以最常用的兩層PCB為例來介紹PCB布局指南。

PCB設計與布局

在結構為兩層的PCB中，S-Touch觸摸控制器和其他部件被布設在PCB的底層， 傳感器電極被布設在PCB的頂層。



圖.1 基于兩層板的電容式觸摸模組的結構

每個傳感器通道所需的調諧匹配電容器可以直接布設在該傳感器電極的底層。需要指出的是，S-Touch觸摸控制器布設在底層，應該保證其對應的頂層沒有布設有任何傳感器電極。頂層和底層的空白區域可填充網狀接地銅箔。


圖2.1  兩層PCB板的頂層


圖 2.2  兩層PCB板的底層

設計規則

第1層(頂層)

● 傳感器電極位于PCB的頂層(PCB的上端與覆層板固定在一起)。 為提高靈敏度，建議使用尺寸為10 x 10 毫米的感應電極。 可以使用更小尺寸的感應電極，但會降低靈敏度。 同時，建議感應電極的尺寸不超過 15 x 15毫米。 如果感應電極超過這一尺寸，不但會降低靈敏度，而且會增加對噪聲的易感性。
● 空白區域可填充接地銅箔 (跡線寬度為6 密耳，網格尺寸為30密耳)。
● 頂層可用來布設普通信號跡線(不包括傳感器信號跡線)。 應當盡可能多地把傳感器信號跡線布設在底層。
● 感應電極與接地銅箔的間距至少應為0.75毫米。

第2層(底層)

● S-Touch控制器和其它無源部件應該設計布局在底層。
● 傳感器信號跡線將被布設在底層。 不要把一個通道的傳感器信號跡線布設在其他傳感通道的感應電極的下面。


圖.3 觸摸極板下的傳感器信號跡線走線方式

● 空白區域可填充接地銅箔 (跡線寬度為6 密耳，網格尺寸為30密耳)。
● 傳感器信號跡線與接地銅箔的間距應當至少是傳感器信號跡線寬度的兩倍。
● 為降低串擾，應當盡可能地增大兩個感應電極/感應信號跡線之間的距離。 在可能的情況下，在兩個感應電極/感應信號跡線之間加入接地銅箔。
● 傳感器信號跡線的長度并不需要完全等長。 因為使用匹配調諧電容，完全可以使兩條通道之間的輸入電容達到平衡。 然而，在PCB空間允許的情況下，最好使用長度相等的傳感器信號跡線(傳感器電極的尺寸也是統一的)。 這樣一來，為了把所有傳感通道的傳感器容抗值調整至控制器感應的動態范圍以內，只需設置一個標準參考電容即可，簡化了設計難度。
● 任何時鐘、數據或周期信號跡線都不應該與傳感器的信號跡線相鄰平行布設。 這些信號線應當盡可能地與傳感器的信號跡線垂直，或者布設在 PCB的其他區域。
● 如果時鐘、數據或任何周期信號跡線確實需要與傳感器的信號跡線平行布設，它們應當被布設在不同的層并且不能重疊，而且應當盡可能地縮短信號跡線平行部分的長度。


圖.4 傳感器信號跡線和周期信號跡線相鄰時平行布設

接地銅箔

在前面對兩層FR4 PCB的介紹中，接地銅箔被用來填充PCB的空白截面區域。 接地銅箔能夠幫助觸摸模塊屏蔽外部噪聲源，還能夠穩定傳感器線路的固有電容。

然而，使用接地銅箔時需要事先注意幾個問題。 這是因為接地銅箔會增加傳感器的固有電容，還會增加由于水滴導致的錯誤檢測的可能性。

接地銅箔設計指南：

● 建議使用網狀的接地銅箔，而非實心的接地銅箔。 建議使用20%的網狀接地銅箔(跡線寬度為6 密耳，網格尺寸為30密耳)。 接地銅箔的角度應當設置為45°。
● 傳感器到接地銅箔的間隔應當至少為0.5 毫米，建議使用0.75毫米。
● 傳感器信號跡線到接地銅箔的間隙應當至少是跡線寬度的兩倍。
● 對于四層PCB來說，如果布設在第三層的傳感器信號跡線大于 10厘米，為了把長跡線的電容負載降至最低，建議不要在底層布設接地銅箔。
● 如果對覆層板使用部分導電材料，建議不要在頂層布設接地銅箔。
● 如果電容感應系統需要在潮濕環境中工作，建議不要在頂層布設接地銅箔。

傳感器基本功能描述與指南

電容傳感器電極是指一種用來測量手指電容的導電極板。 它被連接至S-Touch控制器的感應通道的輸入端。 傳感器電極可以被制作成各種幾何形狀和尺寸，以便具有不同的功能和應用。

觸摸按鍵

觸摸按鍵的基本功能是檢測是否有手指在觸按。 S-Touch控制器可測量觸摸按鍵感應電極的電容。 如果手指比較靠近觸摸按鍵，當所測量的電容變化超過預先設定的閥值，就會檢測到手指觸摸的發生。


圖.5 觸摸按鍵形狀

觸摸按鍵可以被設計成各種形狀，例如方形、圓形、三角形或其他形狀。 如果限定了 PCB的尺寸，所設計的按鈕形狀應當最大化地利用空間，以便提供最佳的靈敏度。
對于覆蓋有2-3毫米的丙稀酸塑料層外殼的應用，建議使用最小尺寸為10 x 10毫米的正方形傳感電極。 建議最大尺寸不要超過15 x 15毫米。如果超過該尺寸，不僅無法提高靈敏度，而且還會加劇噪聲易感性。

觸摸滑動條

觸摸滑動條的基本功能是用來檢測手指在一維方向上的滑動位置。觸摸滑動條的典型應用之一是進行音量控制。 可以使用兩種方法來實現觸摸滑動條：觸摸狀態滑動條和比例計量滑動條。

把方形觸摸按鍵按順序緊密排列在一起，即可以設計成觸摸狀態滑動條。


圖.6 觸摸狀態滑動條的實現


表1 觸摸狀態滑動條的設計

當檢測到某傳感通道處于開啟狀態時，就能確定手指在觸摸滑動條上的位置。 在上例中，使用了5個傳感通到來檢測9個位置。 如果S1 和S2 通道同時處于開啟狀態，就意味著手指的位置位于位置2。

對于覆蓋有2-3毫米的丙稀酸塑料層外殼的應用，建議使用最小尺寸為10 x 10毫米的傳感電極。滑動條傳感器之間的間隙值建議為0.75毫米。兩個相鄰傳感電極之間的間隙不要超過1毫米。這是為了確保當手指正好位于間隙內時，兩個傳感器通道能夠同時開啟。

觸摸狀態滑動條的優點是設計簡單，在噪聲環境下具有較高的穩定性。 然而，如果需要數量較多的位置，該方法則會因為需要過多傳感器通道而無法實施。

另一種方法是使用比例計量滑動條。 該方法不是通過檢測每個傳感通道上的觸摸狀態來實現，而是根據每個傳感器通道所測得的確切電容變化來確定手指的位置。 當測得每個傳感通道的確切電容變化后，通過進行比例計算來確定手指的確切位置。


圖.7 比例計量滑動條的實現

上述位置中的手指觸摸會導致三個傳感通道電極的電容增加。 由于手指覆蓋面積的不同，每個傳感器所增加的電容值也不相同。 然后，對傳感器的原始電容數據進行處理，就可以獲得手指在滑動條上的絕對位置。

觸摸旋轉器

同滑動條一樣，觸摸旋轉器也是基于觸摸狀態和比例計量方法實現的。

應用觸摸狀態方法的旋轉器通過檢查每個傳感通道的狀態來確定手指的位置。 應用比例計量方法的旋轉器，通過測量由于手指觸摸而導致的各個傳感通道增加的確切電容來確定手指的位置。 手指在旋轉器上滾動時，會導致幾個傳感通道的電容增大。 然后，通過計算這些傳感通道所增加的電容值，可以計算得出手指觸摸的確切位置。


圖.8 觸摸狀態和比例計量觸摸旋轉器的實現

觸摸旋轉器對于手指觸摸檢測的穩定性取決于要求的分辨率和傳感通道的數量。 對于高分辨率的觸摸旋轉器來說，可能需要使用更多的傳感通道，而不一定像圖8中所示的那樣僅使用了三個傳感通道。

其他考慮因素

按照這些基本的設計指引進行PCB設計和布局，能夠使電容感應應用更加可靠。 在PCB設計中，還要考慮其他的重要因素，包括：
●  PCB上無浮板/極板。 PCB 的空白區域可填充接地銅箔或留空。
●  PCB應當設計成所需要的參考電容值小于20 pF (該參考電容值是在硬件調整期間確定的)，并且各個通道的固有電容應小于10pF。如果大于此值，則需要修改某些基本布局，如降低接地銅箔的密度，擴大感應輸入跡線/電極到接地銅箔的間距，縮小傳感器信號跡線的寬度，甚至去除接地銅箔。 如果感應輸入電容的最大值超過 10 pF，則需要使用調諧電容進行匹配設置。
●  盡可能地把各個感應通道之間的固有電容的差別控制在10 pF 以內(可在硬件調整期間測定這一差別)。 如果超過10 pF，需要降低跡線長度和傳感器電極尺寸的失配，來進行重新布局以便把差別降至最低。
●  在I2C SDA和SCL線路中安裝串聯電阻器，以便過濾連接主板和觸摸模塊的線束所引起的噪聲干擾，或來自可能導致 I2C信號失真的電源噪聲的干擾。

老郭

ST的官方應用筆記。S-Touch是ST于2007年針對便攜應用推出的低功耗觸摸傳感器。

SAE

LED觸摸調光IC，小風扇觸摸調速IC,安派電子

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