S-TouchTM 電容式觸摸控制器PCB布局指南

介紹
   本應(yīng)用指南旨在為S-TouchTM電容觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)所用的各種PCB(印刷電路板) (如FR4、柔性PCB 或 ITO面板)的結(jié)構(gòu)和布局提供設(shè)計(jì)布局指導(dǎo)。

    在目前市場(chǎng)上可提供的PCB基材中，F(xiàn)R4是最常用的一種。 FR4是一種玻璃纖維增強(qiáng)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(shè)計(jì)與布局
    在結(jié)構(gòu)為兩層的PCB中，S-TouchTM觸摸控制器和其他部件被布設(shè)在PCB的底層， 傳感器電極被布設(shè)在PCB的頂層。

 
   圖.1 基于兩層板的電容式觸摸模組的結(jié)構(gòu)

     每個(gè)傳感器通道所需的調(diào)諧匹配電容器可以直接布設(shè)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(shè)在底層，應(yīng)該保證其對(duì)應(yīng)的頂層沒(méi)有布設(shè)有任何傳感器電極。頂層和底層的空白區(qū)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(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)電極。 可以使用更小尺寸的感應(yīng)電極，但會(huì)降低靈敏度。 同時(shí)，建議感應(yīng)電極的尺寸不超過(guò) 15 x 15毫米。 如果感應(yīng)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(duì)噪聲的易感性。
● 空白區(qū)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(shè)普通信號(hào)跡線(xiàn)(不包括傳感器信號(hào)跡線(xiàn))。 應(yīng)當(dāng)盡可能多地把傳感器信號(hào)跡線(xiàn)布設(shè)在底層。
● 感應(yīng)電極與接地銅箔的間距至少應(yīng)為0.75毫米。

第2層(底層)
● S-TouchTM控制器和其它無(wú)源部件應(yīng)該設(shè)計(jì)布局在底層。
● 傳感器信號(hào)跡線(xiàn)將被布設(shè)在底層。 不要把一個(gè)通道的傳感器信號(hào)跡線(xiàn)布設(shè)在其他傳感通道的感應(yīng)電極的下面。

 
   圖.3 觸摸極板下的傳感器信號(hào)跡線(xiàn)走線(xiàn)方式

● 空白區(qū)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(hào)跡線(xiàn)與接地銅箔的間距應(yīng)當(dāng)至少是傳感器信號(hào)跡線(xiàn)寬度的兩倍。
● 為降低串?dāng)_，應(yīng)當(dāng)盡可能地增大兩個(gè)感應(yīng)電極/感應(yīng)信號(hào)跡線(xiàn)之間的距離。 在可能的情況下，在兩個(gè)感應(yīng)電極/感應(yīng)信號(hào)跡線(xiàn)之間加入接地銅箔。
● 傳感器信號(hào)跡線(xiàn)的長(zhǎng)度并不需要完全等長(zhǎng)。 因?yàn)槭褂闷ヅ湔{(diào)諧電容，完全可以使兩條通道之間的輸入電容達(dá)到平衡。 然而，在PCB空間允許的情況下，最好使用長(zhǎng)度相等的傳感器信號(hào)跡線(xiàn)(傳感器電極的尺寸也是統(tǒng)一的)。 這樣一來(lái)，為了把所有傳感通道的傳感器容抗值調(diào)整至控制器感應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍以?xún)?nèi)，只需設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考電容即可，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度。
● 任何時(shí)鐘、數(shù)據(jù)或周期信號(hào)跡線(xiàn)都不應(yīng)該與傳感器的信號(hào)跡線(xiàn)相鄰平行布設(shè)。 這些信號(hào)線(xiàn)應(yīng)當(dāng)盡可能地與傳感器的信號(hào)跡線(xiàn)垂直，或者布設(shè)在 PCB的其他區(qū)域。
● 如果時(shí)鐘、數(shù)據(jù)或任何周期信號(hào)跡線(xiàn)確實(shí)需要與傳感器的信號(hào)跡線(xiàn)平行布設(shè)，它們應(yīng)當(dāng)被布設(shè)在不同的層并且不能重疊，而且應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短信號(hào)跡線(xiàn)平行部分的長(zhǎng)度。

 
   圖.4 傳感器信號(hào)跡線(xiàn)和周期信號(hào)跡線(xiàn)相鄰時(shí)平行布設(shè)

接地銅箔
在前面對(duì)兩層FR4 PCB的介紹中，接地銅箔被用來(lái)填充PCB的空白截面區(qū)域。 接地銅箔能夠幫助觸摸模塊屏蔽外部噪聲源，還能夠穩(wěn)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?yàn)榻拥劂~箔會(huì)增加傳感器的固有電容，還會(huì)增加由于水滴導(dǎo)致的錯(cuò)誤檢測(cè)的可能性。

接地銅箔設(shè)計(jì)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(yīng)當(dāng)設(shè)置為45°。
● 傳感器到接地銅箔的間隔應(yīng)當(dāng)至少為0.5 毫米，建議使用0.75毫米。
● 傳感器信號(hào)跡線(xiàn)到接地銅箔的間隙應(yīng)當(dāng)至少是跡線(xiàn)寬度的兩倍。
● 對(duì)于四層PCB來(lái)說(shuō)，如果布設(shè)在第三層的傳感器信號(hào)跡線(xiàn)大于 10厘米，為了把長(zhǎng)跡線(xiàn)的電容負(fù)載降至最低，建議不要在底層布設(shè)接地銅箔。
● 如果對(duì)覆層板使用部分導(dǎo)電材料，建議不要在頂層布設(shè)接地銅箔。
● 如果電容感應(yīng)系統(tǒng)需要在潮濕環(huán)境中工作，建議不要在頂層布設(shè)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(cè)量手指電容的導(dǎo)電極板。 它被連接至S-TouchTM控制器的感應(yīng)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(yīng)用。

觸摸按鍵
觸摸按鍵的基本功能是檢測(cè)是否有手指在觸按。 S-TouchTM控制器可測(cè)量觸摸按鍵感應(yīng)電極的電容。 如果手指比較靠近觸摸按鍵，當(dāng)所測(cè)量的電容變化超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥值，就會(huì)檢測(cè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的按鈕形狀應(yīng)當(dāng)最大化地利用空間，以便提供最佳的靈敏度。
對(duì)于覆蓋有2-3毫米的丙稀酸塑料層外殼的應(yīng)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(guò)15 x 15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(cè)手指在一維方向上的滑動(dòng)位置。
觸摸滑動(dòng)條的典型應(yīng)用之一是進(jìn)行音量控制。 可以使用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸滑動(dòng)條：觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條和比例計(jì)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(shè)計(jì)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(xiàn)

位置 傳感器開(kāi)啟（ON）

表1 觸摸狀態(tài)滑動(dòng)條的設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)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(cè)9個(gè)位置。 如果S1 和S2 通道同時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)，就意味著手指的位置位于位置2。

對(duì)于覆蓋有2-3毫米的丙稀酸塑料層外殼的應(yīng)用，建議使用最小尺寸為10 x 10毫米的傳感電極。滑動(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(dāng)手指正好位于間隙內(nèi)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在噪聲環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性。 然而，如果需要數(shù)量較多的位置，該方法則會(huì)因?yàn)樾枰^(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(jì)量滑動(dòng)條。 該方法不是通過(guò)檢測(cè)每個(gè)傳感通道上的觸摸狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是根據(jù)每個(gè)傳感器通道所測(cè)得的確切電容變化來(lái)確定手指的位置。 當(dāng)測(cè)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(jì)算來(lái)確定手指的確切位置。

 
    圖.7 比例計(jì)量滑動(dòng)條的實(shí)現(xiàn)

上述位置中的手指觸摸會(huì)導(dǎo)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(duì)傳感器的原始電容數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以獲得手指在滑動(dòng)條上的絕對(duì)位置。

觸摸旋轉(zhuǎn)器
同滑動(dòng)條一樣，觸摸旋轉(zhuǎn)器也是基于觸摸狀態(tài)和比例計(jì)量方法實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)用觸摸狀態(tài)方法的旋轉(zhuǎn)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(yīng)用比例計(jì)量方法的旋轉(zhuǎn)器，通過(guò)測(cè)量由于手指觸摸而導(dǎo)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(zhuǎn)器上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)傳感通道的電容增大。 然后，通過(guò)計(jì)算這些傳感通道所增加的電容值，可以計(jì)算得出手指觸摸的確切位置。

 
   圖.8 觸摸狀態(tài)和比例計(jì)量觸摸旋轉(zhuǎn)器的實(shí)現(xiàn)

觸摸旋轉(zhuǎn)器對(duì)于手指觸摸檢測(cè)的穩(wěn)定性取決于要求的分辨率和傳感通道的數(shù)量。 對(duì)于高分辨率的觸摸旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)指引進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)和布局，能夠使電容感應(yīng)應(yīng)用更加可靠。 在PCB設(shè)計(jì)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(qū)域可填充接地銅箔或留空。
●  PCB應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)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(diào)整期間確定的)，并且各個(gè)通道的固有電容應(yīng)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(kuò)大感應(yīng)輸入跡線(xiàn)/電極到接地銅箔的間距，縮小傳感器信號(hào)跡線(xiàn)的寬度，甚至去除接地銅箔。 如果感應(yīng)輸入電容的最大值超過(guò) 10 pF，則需要使用調(diào)諧電容進(jìn)行匹配設(shè)置。
●  盡可能地把各個(gè)感應(yīng)通道之間的固有電容的差別控制在10 pF 以?xún)?nèi)(可在硬件調(diào)整期間測(cè)定這一差別)。 如果超過(guò)10 pF，需要降低跡線(xiàn)長(zhǎng)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I2C SDA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(dǎo)致 I2C信號(hào)失真的電源噪聲的干擾。