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            应对触摸屏的电磁干扰问题

            作者TouchScreen时间2012-05-07 来源ed-china

            [摘要]开发具有触摸屏人机界面的移动手持设备是一项复杂的设计挑战尤其是对于投射式电容触摸屏设计来说更是如此它代表?#35828;?#21069;多点触摸界面的主流技术投射式电容触摸屏能够精确定位手指轻触屏幕的位置它通过测量电容的微小变化?#30913;?#21035;手指位置

                北京时间05月07日消息中国触摸屏网讯 开发具有触摸屏人机界面的移动手持设备是一项复杂的设计挑战尤其是对于投射式电容触摸屏设计来说更是如此它代表?#35828;?#21069;多点触摸界面的主流技术投射式电容触摸屏能够精确定位手指轻触屏幕的位置它通过测量电容的微小变化?#30913;?#21035;手指位置在此类触摸屏应用中需要考虑的一个关键设计问题是电磁干扰(EMI)对系统性能的影响干扰引起的性能下降可能对触摸屏设计产生不利影响本文将对这些干扰源进行探讨和分析

                本文来自http://www.icdw.tw/hmi/news/dynamic/201205/07-15330.html

            投射式电容触摸屏结构

                典型的投射式电容传感器安装在玻璃或塑料?#21069;?#19979;方图1所示为双层式传感器的简化边?#27833;?#21457;射(Tx)和接收(Rx)电极连接到透明的氧化铟锡(ITO)形成交叉矩阵每个Tx-Rx结点都有一个特征电容Tx ITO位于Rx ITO下方由一层聚合物薄膜或光学胶(OCA)隔开如图所示Tx电极的方向从左至右Rx电极的方向从纸外指向纸内

             

            图1传感器结构参考
            图1传感器结构参考
             

            传感器工作原理

                让我们暂不考虑干扰因素来对触摸屏的工作进行分析操作人员的手指标称处在地电势Rx通过触摸屏控制器电路被保持在地电势而Tx电压则可变变化的Tx电压使电流通过Tx-Rx电容一个仔细?#33014;?#36807;的Rx集成电路隔离并测量进入Rx的电荷测量到的电荷代表连接Tx和Rx的“互电容”

            传感器状态未触摸

                图2显示了未触摸状态下的磁力线示意图在没有手指触碰的情况下Tx-Rx磁力线占据了?#21069;?#20869;相当大的空间边缘磁力线投射到电极结构之外因此术语“投射式电容”由之而来

             

            图2未触摸状态下的磁力线
            图2未触摸状态下的磁力线
             

            传感器状态触摸

                当手指触摸?#21069;保Tx与手指之间形成磁力线这些磁力线取代了大量的Tx-Rx边缘磁场如图3所示通过这种方式手指触摸减少了Tx-Rx互电容电荷测量电路识别出变化的电容(C)从而检测到Tx-Rx结点上方的手指通过对Tx-Rx矩阵的所有交叉点进行C测量便可得到整个面板的触摸分布图

                图3还显示出另外一个重要影响手指和Rx电极之间的电容耦合通过这条路径电干扰可能会耦?#31995;Rx某些程度的手指-Rx耦合是不可避免的

             

            图3触摸状态下的磁力线
            图3触摸状态下的磁力线
             

            专用术语

                投射式电容触摸屏的干扰通过不易察觉的?#32435;?#36335;径耦合产生术语“地”通常既可用于指直流电路的参考节点又可用于指低阻抗连接到大地二者并非相同术语实际上对于便携式触摸屏设备来说这种差别正是引起触摸耦合干扰的根本原因为了澄清和避免混淆我们使用以下术语来评估触摸屏干扰

            Earth(地)与大地相连例如通过3孔交流电源插座的地线连接到大地

            Distributed Earth(分布式地)物体到大地的电容连接

            DC Ground(直流地)便携式设备的直流参考节点

            DC Power(直流电源)便携式设备的电池电压或者与便携式设备连接的充电器输出电压例如USB接口充电器中的5V Vbus

            DC VCC(直流VCC电源)为便携式设备电子器件(包括LCD和触摸屏控制器)供电的稳定电压

            Neutral(零线)交流电源回路(标称处在地电势)

            Hot(火线)交流电源电压相对零线施加电能

            LCD Vcom耦?#31995;?#35302;摸屏接收线路

                便携式设备触摸屏可以直?#24433;?#35013;到LCD显示屏上在典型的LCD架构中液晶材料由透明的上下电极提供偏置下方的多个电极决定了显示屏的多个单像素上方的公共电极则是覆盖显示屏整个可视前端的连续平面它偏置在电压Vcom在典型的低压便携式设备(例如手机)中交流Vcom电压为在直流地和3.3V之间来回震荡的方波交流Vcom电平通常每个显示行切换一次因此所产生的交流Vcom频率为显示帧刷新?#35270;?#34892;数乘积的1/2一个典型的便携式设备的交流Vcom频率可能为15kHz图4为LCD Vcom电压耦?#31995;?#35302;摸屏的示意图

             

            4LCD Vcom干扰耦合模型
            4LCD Vcom干扰耦合模型

                双层触摸屏由布满Tx阵列和Rx阵列的分离ITO层组成中间用电介质层隔开Tx线占据Tx阵列间距的整个宽度线与线之间仅以制造所需的最小间距隔开这种架构被称为自屏?#38382;?#22240;为Tx阵列将Rx阵列与LCD Vcom屏蔽开然而通过Tx带间空隙耦合仍然可能发生

                为降?#22270;?#26500;成本并获得更好的透明度单层触摸屏将Tx和Rx阵列安装在单个ITO层上并通过单独的桥?#26469;?#36328;接各个阵?#23567;?#22240;此Tx阵列不能在LCD Vcom平面和传感器Rx电极之间形成屏蔽层这有可能发生严重的Vcom干扰耦合情况

            充电器干扰

                触摸屏干扰的另一个潜在来源是电源供电手机充电器的开关电源干扰通过手指耦?#31995;?#35302;摸屏上如图5所示小型手机充电器通常有交流电源火线和零线输入但没有地线连接充电器是安全隔离的所以在电源输入?#32479;?#30005;器次级线圈之间没有直流连接然而这仍然会通过开关电源隔离变压器产生电容耦合充电器干扰通过手指触摸屏幕而形成返回路径

             

            图5充电器干扰耦合模型
            图5充电器干扰耦合模型
             

                注意在这种情况下充电器干扰是?#24178;?#22791;相对于地的外加电压这种干扰可能会因其在直流电源和直流地?#31995;?#20540;而被描述成“?#26448;?rdquo;干扰在充电器输出的直流电源和直流地之间产生的电源开关噪声如果没有被充分滤除则可能会影响触摸屏的正常运行这种电源抑制比(PSRR)问题是另外一个问题本文不做讨论

            充电器耦合阻抗

                充电器开关干扰通过变压器初级-次?#24230;?#32452;漏电容(大约20pF)耦合产生这种弱电容耦合作用可?#21592;?#20986;现在充电器线缆和受电设备本身相对分布式地的?#32435;?#24182;联电容补偿拿起设备?#20445;?#24182;联电容将增加这通常足以消除充电器开关干扰避免干扰影响触摸操作当便携式设备连接到充电器并放在桌面上并且操作人员的手指仅与触摸屏接触?#20445;?#23558;会出现充电器产生的一种最坏情况的干扰

            充电器开关干扰分量

                典型的手机充电器采用反激式(flyback)电路拓扑这种充电器产生的干扰波形比较复杂并且随充电器不同而差异很大它取决于电路细节和输出电压控制策略干扰振幅的变化也很大这取决于制造商在开关变压器屏蔽上投入的设计努力和单位成本典型?#38382;?#21253;括

                波形包括复杂的脉宽调制方波和LC振铃波形频率额定负载下40~150kHz负载很轻?#20445;?#33033;冲频率或跳周期操作下降到2kHz以下电压可达电源峰值电压的一半=Vrms/√2

            充电器电源干扰分量

                在充电器前端交流电源电压整流生成充电器高电压轨这样充电器的开关电压分量叠加在一个电源电压一半的正弦波上与开关干扰相似此电源电压也是通过开关隔离变压器形成耦合在50Hz或60Hz?#20445;?#35813;分量的频率远低于开关频率因此其?#34892;?#30340;耦合阻抗相应更高电源电压干扰的严重程?#28909;?#20915;于对地并联阻抗的特性同时还取决于触摸屏控制器对低频的灵敏?#21462;?/p>

             

            图6充电器波?#38382;?#20363;
            图6充电器波?#38382;?#20363;
             

            电源干扰的特殊情况不带接地的3孔插头

                额定功?#24335;细?#30340;电源适配器(例如笔记本电脑交流适配器)可能会配置3孔交流电源插头为了抑制输出端EMI充电器可能在内部把主电源的地引脚连接到输出的直流地此类充电器通常在火线和零线与地之间连接Y电容从而抑制来自电源线上的传导EMI假设有意使地连接存在这类适配器不会对供电PC和USB连接的便携式触摸屏设备造成干扰图5中的虚线框说明了这种配置

                对于PC和其USB连接的便携式触摸屏设备来说如果具有3孔电源输入的PC充电器插入了没有地连接的电源插座充电器干扰的一种特殊情况将会产生Y电容将交流电源耦?#31995;?#30452;流地输出相对较大的Y电容?#30340;?#22815;非常?#34892;?#22320;耦合电源电压这使得较大的电源频率电压通过触摸屏上的手指以相对?#31995;?#30340;阻抗进行耦合

            本文小结

                当今广泛用于便携式设备的投射式电容触摸屏很容?#36164;?#21040;电磁干扰来自内部或外部的干扰电?#22815;?#36890;过电容耦?#31995;?#35302;摸屏设备这些干扰电?#22815;?#24341;起触摸屏内的电荷运动这可能会对手指触摸屏幕时的电荷运动测量造成混淆因此触摸屏系统的?#34892;?#35774;计和优化取决于对干扰耦?#19979;?#24452;的认识以及对其尽可能地消减或是补偿

                干扰耦?#19979;?#24452;涉及到?#32435;?#25928;应例如变压器绕组电容和手指-设备电容对这些影响进行适当的建模可以充分认识到干扰的来源和大小

            对于许多便携式设备来说电池充电器构成触摸屏主要的干扰来源当操作人员手指接触触摸屏?#20445;?#25152;产生的电容使得充电器干扰耦合电路得以关闭充电器内部屏蔽设计的质量和是否有适当的充电器接地设计是影响充电器干扰耦合的关键因素

            触摸屏与OLED网推出微信公共平台每日一条微?#21028;?#38395;涵盖触摸屏材料触摸屏设备触控面板行业主要资讯第一时间了解触摸屏行业发展动态关注办法微信公众号i51touch 或微信中扫描下面二维码关注或这里查看详细步骤

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