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电容触摸IC应用设计的要点
发布时间:2011/8/31 17:40:00 来源:
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感应系统的组成:
除芯片以外,主要组成部分包括:绝缘的面板,按键感应盘和连接线。使用者的手指接触面板的敏感区域可以触发按键;面板敏感区域的背后是按键感应盘;连接线把感应电极和芯片连接起来。 
 
面板的选择: 
面板必须选用绝缘材料,可以是玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯(pvc)、尼龙、树脂玻璃等。在生产过程中,要保持面板的材质和厚度不变,面板的表面喷涂必须使用绝缘的油漆。在电极不变的情况下,面板的厚度和材质决定灵敏度。比如,3.2mm厚的尼龙(Nylon)相当于2.8mm厚的树脂玻璃(Plexiglas)。通常,在厚度、面积相同的情况下,介电常数越大,灵敏度越高。但是在正常应用中,我们推荐使用介电常数适中的材质,比如树脂玻璃等。介电常数过小,会导致灵敏度差;介电常数过大,发生误动作的几率会变大。

材料

介电常数

Air

1.0

Common Glass

7.6-8.0

Mylar 

3.0-3.2

Plexiglas

2.8

Nylon

 3.2

ABS 

3.8-4.5

按键感应盘的选择: 
按键感应盘材料:根据应用场合可以选择PCB铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的ITO层等。不管使用什么材料,按键感应盘必须紧密贴在面板上,中间不能有空气间隙。

按键感应盘形状:原则上可以做成任意形状,中间可留孔或镂空。我们推荐做成边缘圆滑的形状,如圆形或六角形,可以避免尖端放电效应。

按键感应盘面积大小:最小4mmX4mm, 最大30mmX30mm。实际面积大小根据灵敏度的需求而定,面积大小和灵敏度成正比。一般来说,按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍,并且增大电极的尺寸,
可以提高信噪比。各个感应盘的形状、面积应该相同,以保证灵敏度一致。

按键感应盘之间的距离:各个感应盘间的距离要尽可能的大一些(大于5mm),这样可以减少它们形成的电场之间的相互干扰。当用PCB铜箔做感应盘时,若感应盘间距离较近(5MM~10MM),感应盘必须用铺地隔离,如图(1)所示。如果各个感应盘距离较远,也应该尽可能的铺地隔离。

                    图(1):感应盘由铺地隔开

按键感应盘与IC触摸端口的连接:通常有3种方式。
1:使用带弹簧的感应盘,将感应盘顶在面板上。
2:使用导电橡胶或导电棉,导电棉或导电橡胶顶端作为感应盘紧贴在面板上。
3:将感应盘用双面胶紧密粘在面板上。
CIN电容的选择:CIN电容可用普通的贴片电容。推荐使用误差小于10%或精度更高的电容。电容精度越高,系统的一致性越好。
 
灵敏度的设定:灵敏度与外接CIN电容的大小成反比;与面板的厚度成反比;与按键感应盘的大小成正比。 
CIN电容的选择:CIN电容可在0PF~50PF选择。电容越小,灵敏度越高,但是抗干扰能力越差。电容越大,灵敏度越低,但是抗干扰能力越强。通常,我们推荐5PF~20PF。
面板厚度的选择:通常在0~15MM。

按键感应盘的大小:最小4mmX4mm, 最大30mmX30mm。增大感应盘的面积,不但能增大灵敏度,还能提高抗干扰能力,所以在可能的情况下,尽量加大感应盘的面积。
 PCB布局的设计:
(1):CIN电容尽量靠近IC放置,各个通道的CIN电容必须用铺地隔离。感应盘也要尽量靠近IC,这样感应盘到IC的连线就会最短。如图(2)所示

              图(2)

(2):布局时应尽量保证触摸IC到感应盘的距离基本平衡。合理的布局如图(3)所示,不合理的布局如图(4)所示。

图(3):合理的布局

图(4):不合理的布局

(3)感应盘到触摸芯片的连线尽量短和细,如果PCB工艺允许尽量采用5MIL的线宽。
(4)感应盘到触摸IC的连线不要跨越其他信号线。尤其不能跨越强干扰、高频的信号线。
(5)感应盘到触摸IC的连线周围0.5MM不要走其他信号线。
(6)如果使用哪个PCB板上的铜箔图案做触摸感应盘,尽量使用双面PCB,触摸芯片和感应盘到IC引脚的连线应放在感应盘铜箔的背面(BOTTOM)。感应盘应紧贴触摸面板。
(7)铺地 :触摸IC及其相关的外围电路要用45°网格铺地,网格中铜的面积大概应该占总面积的60%。连线周围20MIL不能铺地。感应盘和铺地至少要有1.5mm的距离。感应盘正对的背面不允许铺地,也不允许有任何大面积的铜箔和其他信号线。

        TOP                                BOTTOM

                    图(5):感应盘铺地实例

电源的要求:
触摸IC测量的是电容的微小变化,要求电源的纹波和噪声要小,要注意避免由电源串入的外界强干扰。尤其时应用于电磁炉、微波炉时,必须能有效隔离
外部干扰及电压突变,因此要求电源由较高稳定度。建议采用如图(1)所示7805组成的稳压电路:

                              图(6)

7805及外围器件与触摸IC必须放置在同一电路板上,并集中放置,7805组件必须紧靠触摸IC VDD管脚,杜绝电源线过长带来噪声。
在PCB排版时,如果环境较恶劣,建议预留图(6)中电感T1焊盘,应对电磁炉等高噪声的干扰。在普通的应用中,可以不需要此电感。 

如果用户直接使用主机的5V电源,需要在触摸IC电源前加如图(2)所示的滤波电路。 


 图(7)

 同样,在PCB排版时,如果环境较恶劣,建议预留图(7)电感T1、T2、RL焊盘,应对电磁炉等高噪声的干扰。在普通的应用中,可以不用加T1、T2、RL。
在环境较恶劣时,触摸IC部分最好单独供电。以上图(6)、图(7)两个电路是专门给触摸IC及其组件提供电源的,不要接其他负载。LED灯、其他IC的负载需要另外的电源供应。 电容在PCB版上的排列顺序请按原理图标明的顺序,不要随意排列。触摸IC部分的地与系统中其他电路中的地请分开用星型连接法。
其它要点:

(1)PCB板的清洁:残留的助焊剂和污物,在恶劣的温度和湿度环境下会严重影响芯片工作的稳定性。 
(2)ST02(旧版)、ST04(旧版)、ST08应用的时候,RB端接电阻到地,提供内部工作基准电流源。较小的电阻值可以提高内部工作频率,并且可以增加芯片的抗干扰能力。为了提高RB端口电压的稳定性,可以加一个到vdd的电容,电容值推荐1nf-10nf。Cin管脚的工作频率,最好和MCU的工作频率和电源频率有较大的不同。Cin的工作频率是由RB电阻值和Cin电容值,以及感应电极和GND之间的寄生电容值决定。Cin的工作频率可以用示波器直接观察(观察时,Cin和示波器探针之间可以用薄的绝缘物体隔离)。另外,当芯片暴露在高频干扰的环境下,在cin端口串联一个200左右的电阻是必须的。 
(3)ST04C如果PCB不合理,比如触摸PAD间距离较近、触摸PAD间没有用铺地隔离等,极少数芯片上电后会有闪烁现象,上电过后几秒内恢复正常,这是因为上电时通道间相互干扰所致(通道0,1属于一个工作组,通道2,3属于另一个工作组。同一组中的通道不会相互干扰。)。应对办法就是触摸PAD间距离要大于5MM,并且触摸PAD间要用铺地隔离。如果因为种种原因做不到以上两点,还可以用的办法是CIN0、CIN1上的电容值要和CIN2、CIN3上的电容值要差5PF(这个电容值是CIN端的总电容值,包括寄生电容)。比如CIN0、CIN1接10PF,CIN2、CIN3接15PF。 
 (4)没有用到的通道,相应的CIN和OUT悬空即可。

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