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本應用指南旨在為S-TouchTM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(chǎng)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(huán)氧樹(shù)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(lái)介紹PCB布局指南。 PCB設計與布局 在結構為兩層的PCB中，S-TouchTM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(gè)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-TouchTM觸摸控制器布設在底層，應該保證其對應的頂層沒(méi)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(wǎng)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10x10毫米的感應電極�？梢允褂酶〕叽绲母袘姌O，但會(huì )降低靈敏度。同時(shí)，建議感應電極的尺寸不超過(guò)15x15毫米。如果感應電極超過(guò)這一尺寸，不但會(huì )降低靈敏度，而且會(huì )增加對噪聲的易感性。 ●空白區域可填充接地銅箔(跡線(xiàn)寬度為6密耳，網(wǎng)格尺寸為30密耳)。 ●頂層可用來(lái)布設普通信號跡線(xiàn)(不包括傳感器信號跡線(xiàn))。應當盡可能多地把傳感器信號跡線(xiàn)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-TouchTM控制器和其它無(wú)源部件應該設計布局在底層。 ●傳感器信號跡線(xiàn)將被布設在底層。不要把一個(gè)通道的傳感器信號跡線(xiàn)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(xiàn)走線(xiàn)方式 ●空白區域可填充接地銅箔(跡線(xiàn)寬度為6密耳，網(wǎng)格尺寸為30密耳)。 ●傳感器信號跡線(xiàn)與接地銅箔的間距應當至少是傳感器信號跡線(xiàn)寬度的兩倍。 ●為降低串擾，應當盡可能地增大兩個(gè)感應電極/感應信號跡線(xiàn)之間的距離。在可能的情況下，在兩個(gè)感應電極/感應信號跡線(xiàn)之間加入接地銅箔。 ●傳感器信號跡線(xiàn)的長(cháng)度并不需要完全等長(cháng)。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(cháng)度相等的傳感器信號跡線(xiàn)(傳感器電極的尺寸也是統一的)。這樣一來(lái)，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(dòng)態(tài)范圍以?xún)�，只需設置一個(gè)標準參考電容即可，簡(jiǎn)化了設計難度。 ●任何時(shí)鐘、數據或周期信號跡線(xiàn)都不應該與傳感器的信號跡線(xiàn)相鄰平行布設。這些信號線(xiàn)應當盡可能地與傳感器的信號跡線(xiàn)垂直，或者布設在PCB的其他區域。 ●如果時(shí)鐘、數據或任何周期信號跡線(xiàn)確實(shí)需要與傳感器的信號跡線(xiàn)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(xiàn)平行部分的長(cháng)度。 圖.4傳感器信號跡線(xiàn)和周期信號跡線(xiàn)相鄰時(shí)平行布設 接地銅箔 在前面對兩層FR4PCB的介紹中，接地銅箔被用來(lái)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(xiàn)路的固有電容。 然而，使用接地銅箔時(shí)需要事先注意幾個(gè)問(wèn)題。這是因為接地銅箔會(huì )增加傳感器的固有電容，還會(huì )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(wǎng)狀的接地銅箔，而非實(shí)心的接地銅箔。建議使用20%的網(wǎng)狀接地銅箔(跡線(xiàn)寬度為6密耳，網(wǎng)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(xiàn)到接地銅箔的間隙應當至少是跡線(xiàn)寬度的兩倍。 ●對于四層PCB來(lái)說(shuō)，如果布設在第三層的傳感器信號跡線(xiàn)大于10厘米，為了把長(cháng)跡線(xiàn)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(huán)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(lái)測量手指電容的導電極板。它被連接至S-TouchTM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-TouchTM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(guò)預先設定的閥值，就會(huì )檢測到手指觸摸的發(fā)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10x10毫米的正方形傳感電極。建議最大尺寸不要超過(guò)15x15毫米。如果超過(guò)該尺寸，不僅無(wú)法提高靈敏度，而且還會(huì )加劇噪聲易感性。 觸摸滑動(dòng)條 觸摸滑動(dòng)條的基本功能是用來(lái)檢測手指在一維方向上的滑動(dòng)位置。 觸摸滑動(dòng)條的典型應用之一是進(jìn)行音量控制�？梢允褂脙煞N方法來(lái)實(shí)現觸摸滑動(dòng)條：觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條和比例計量滑動(dòng)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(tài)滑動(dòng)條。 圖.6觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條的實(shí)現 位置傳感器開(kāi)啟（ON） 表1觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條的設計 當檢測到某傳感通道處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，就能確定手指在觸摸滑動(dòng)條上的位置。在上例中，使用了5個(gè)傳感通到來(lái)檢測9個(gè)位置。如果S1和S2通道同時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)，就意味著(zhù)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10x10毫米的傳感電極�；瑒�(dòng)條傳感器之間的間隙值建議為0.75毫米。兩個(gè)相鄰傳感電極之間的間隙不要超過(guò)1毫米。這是為了確保當手指正好位于間隙內時(shí)，兩個(gè)傳感器通道能夠同時(shí)開(kāi)啟。 觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條的優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)單，在噪聲環(huán)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(huì )因為需要過(guò)多傳感器通道而無(wú)法實(shí)施。 另一種方法是使用比例計量滑動(dòng)條。該方法不是通過(guò)檢測每個(gè)傳感通道上的觸摸狀態(tài)來(lái)實(shí)現，而是根據每個(gè)傳感器通道所測得的確切電容變化來(lái)確定手指的位置。當測得每個(gè)傳感通道的確切電容變化后，通過(guò)進(jìn)行比例計算來(lái)確定手指的確切位置。 圖.7比例計量滑動(dòng)條的實(shí)現 上述位置中的手指觸摸會(huì )導致三個(gè)傳感通道電極的電容增加。由于手指覆蓋面積的不同，每個(gè)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(jìn)行處理，就可以獲得手指在滑動(dòng)條上的絕對位置。 觸摸旋轉器 同滑動(dòng)條一樣，觸摸旋轉器也是基于觸摸狀態(tài)和比例計量方法實(shí)現的。 應用觸摸狀態(tài)方法的旋轉器通過(guò)檢查每個(gè)傳感通道的狀態(tài)來(lái)確定手指的位置。應用比例計量方法的旋轉器，通過(guò)測量由于手指觸摸而導致的各個(gè)傳感通道增加的確切電容來(lái)確定手指的位置。手指在旋轉器上滾動(dòng)時(shí)，會(huì )導致幾個(gè)傳感通道的電容增大。然后，通過(guò)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(tài)和比例計量觸摸旋轉器的實(shí)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(lái)說(shuō)，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(gè)傳感通道。 其他考慮因素 按照這些基本的設計指引進(jìn)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(wú)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20pF(該參考電容值是在硬件調整期間確定的)，并且各個(gè)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(xiàn)/電極到接地銅箔的間距，縮小傳感器信號跡線(xiàn)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(guò)10pF，則需要使用調諧電容進(jìn)行匹配設置。 ●盡可能地把各個(gè)感應通道之間的固有電容的差別控制在10pF以?xún)?可在硬件調整期間測定這一差別)。如果超過(guò)10pF，需要降低跡線(xiàn)長(cháng)度和傳感器電極尺寸的失配，來(lái)進(jìn)行重新布局以便把差別降至最低。 ●在I2CSDA和SCL線(xiàn)路中安裝串聯(lián)電阻器，以便過(guò)濾連接主板和觸摸模塊的線(xiàn)束所引起的噪聲干擾，或來(lái)自可能導致I2C信號失真的電源噪聲的干擾。 |
