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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;肌?#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;迨保琓x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;絉x。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。

             

            4:LCD Vcom干扰耦合模型
            4:LCD 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;劍?#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。

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