觸摸屏電磁干擾源解析

開發(fā)設計移動手持裝置的觸摸屏人機界面是一項富有挑戰(zhàn)的復雜設計工作，尤其對于投射式電容觸摸屏設計來說更是如此，而這項技術是當前多點觸摸界面的主流。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。在此類觸摸屏應用中，需要考慮的一個關鍵設計問題是電磁干擾(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、影響觸摸屏設計的干擾源進行探討和分析。

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Tx - Rx 接點上都有一個特殊電容。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。

傳感器工作原理

讓我們暫時不考慮干擾因素，對觸摸屏工作原理進行分析：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 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。一個經(jīng)過精細測算過的 Rx 集成電路隔離并測量進入 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)蓋板內相當大空間。邊緣磁力線投射到電極外更遠的地方 - 因此稱作“投射式電容”。

傳感器狀態(tài)：觸摸時

如圖 3 所示，當手指觸摸蓋板時，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 連接點上方的手指。通過對所有 Tx-Rx 矩陣的交匯點進行 delta C 測量，可以得到整個面板的觸摸分布圖。

圖3 還顯示出另一個重要的影響：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。術語“地”通常用于指 DC 電路參考點或者指通過低阻抗連接到大地，兩者所指不同。實際上，對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

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) - AC 電源回路，地電勢

Hot(火線) - AC 電源電壓，與地電勢相對

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像素，而高電極通常是連續(xù)平面，覆蓋整個顯示屏可視前端，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 之間來回震蕩的方波。AC Vcom 電平通常每個顯示行切換一次，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。這種架構通常被稱為自屏蔽式(self-shielded)，主要是因為 Tx 陣列把 Rx 陣列與 LCD Vcom 屏蔽開。然而，通過 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 ITO層上，每個獨立的連接依次跨越每個陣列。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潛在來源是電源供電之蜂窩電話充電器中的開關電源。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，這仍然會通過開關電源隔離變壓器產(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)生的電源開關噪聲，如果沒有被完全過濾掉，則可能會影響觸摸屏的正常運行。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，并聯(lián)電容將增加，這通常足以消除充電器開關干擾，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，同時操作人員手指與觸摸屏接觸。

充電器開關干擾構成

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關變壓器屏蔽設計上投入的努力和成本。典型參數(shù)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，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，充電器開關電壓器件也產(chǎn)生幅值為電壓一半的正弦波。與開關干擾相似，此電源電壓也是通過開關隔離變壓器產(chǎn)生耦合。在 50Hz 或 60Hz 時，該組成部分的頻率遠低于開關頻率，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。假設地線連接存在，該類適配器不會對供電 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。

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。來自內部或外部的干擾電壓會通過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，可能會對手指觸摸屏幕時的電荷運動測量造成混淆。因此，觸摸屏系統(tǒng)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。對這些影響進行適當?shù)慕?，可以充分理解和認識到干擾的來源和大小。

對于許多便攜式裝置來說，電池充電器構成觸摸屏主要的干擾來源。當操作人員用手指接觸觸摸屏時，所產(chǎn)生的電容使得充電器干擾耦合電路得以關閉。充電器內部屏蔽設計的質量和是否有適當?shù)某潆娖鹘拥卦O計，是影響充電器干擾耦合的關鍵因素。