【Chipon出品】强抗干扰电容触摸按键的设计应用

只看该作者 · 2017-5-25 19:03

只看该作者 · 2017-5-25 19:05

1 概述

电容触摸按键目前广泛应用于消费电子，工业控制等人机交互面板中，代替机械按键，作为人机交互的输入口。良好的电容触摸方案具有高可靠性，强抗干扰性与开发便捷性。上海芯旺微电子技术有限公司（ChipON）推出的KF8TS系列兼具以上优点，提供的触摸算法库能够快速在公司相关产品上进行触摸应用开发，芯片可编程，单颗芯片即可满足多数产品应用要求，并且提供完整的IDE开发环境与触摸调试工具，加快用户开发周期。公司目前的触摸产品，支持有水识别，防水误触发，可对抗对讲机干扰，CE传导发射测试能够通过EFT-4000V,ESD-8000V,CS-10V，CE传导发射极低干扰，本文介绍相关抗干扰设计（本文默认您已经对ChipON电容触摸按键有一定了解，可参考《Chipon电容触摸设计指南（第一版）》初步了解电容触摸按键原理以及部分PCB布线方式）。

2 抗干扰设计2.1 传导骚扰抗扰度简介

传导骚扰抗扰度（CS）国际标准IEC61000-4-6:2006，对应国家标准 GB/T17626.6：1998《电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度》。

涉及的主要骚扰源是来自9kHz~80MHz 频率范围**频发射机产生的电磁场。该电磁场会作用于电气、电子设备的电源线、通信线和接口电缆等连接线路上，这些连接引线的长度则可能与干扰频率的几个波长相当，因此，这些引线就变成被动天线，接受外界电磁场的感应，引线电缆就可以通过传导方式耦合外界干扰到设备内部（最终以射频电压和电流所形成的近场电磁骚扰到设备内部）对设备产生干扰。从而影响设备的正常运行。传导骚扰抗扰度测试的目的主要是建立一个评估射频场感应的传导骚扰抗扰度性能的公共参考，为有关产品的专业技术委员会或用户和制造商提供一个基本参考。

在9kHz~150kHz频率范围内，对来自射频发射机的电磁场所引起的感应骚扰不要求测量，在150kHz~80MHz频率范围内，对来自射频发射机的电磁场所引起的感应骚扰的抗扰度试验应根据设备和电缆最终安装时所处电磁环境按下面表格选择相应的试验等级。

频率范围150kHz~80MHz

试验等级

1类：低电平辐射环境。无线电电台/电视台位于大于1km的距离上的典型电平和低功率发射接收机的典型电平。

2类：中等电磁辐射环境。用在设备邻近的低功率便携式发射接收机（典型额定值小于1W）。典型的商业环境。

3类：严酷电磁发射环境。用于相对靠近设备，但距离小1m的手提式发射接收机（≥2W）。用在靠近设备的高功率广播发射机和可能靠近工、科、医设备,典型的工业环境。

X类：X是由协商或产品规范和产品标准规定的开放等级。

对总尺寸小于0.4m，并且没有传导电缆（如电源线、信号线或地线）的设备，标准规定不需要进行此项试验。比如采用电池供电的设备，当他与大地或其他任何设备没有连接，并且不在充电时使用，则不需要做此项实验，但设备在充电期间也要使用，则必须做此项实验。

标准中规定频率范围为 150kHz~80MHz，但实际测试的频率范围可根据受试设备的情况分析后确定，当受试设备尺寸比较小时，试验频率最大可以扩展到230MHz。

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1.1 传导骚扰抗扰度CS-10V设计

ChipON可完成CS-3V，CS-10V，150Khz-230Mhz的测试实验。目前KF8FTS系列电容触摸按键芯片，为用户提供多种触摸通道数量选择，芯片内部触摸模块内置伪随机序列发生器，并且提供三种伪随机序列可选方式，用户可通过CTCTL1寄存器的PRSGEN位使能。在伪随机序列功能使能后，在约23个触摸时钟周期后，触摸时钟开始被伪随机处理，触摸时钟的周期和占空比都将会发生伪随机变化。该方案可大幅提高芯片抗干扰性能，ChipON对外发布的触摸产品算法库文件中包含专门的10VCS算法库文件，方便用户移植与应用，触摸库应用方式可参考《电容触摸使用说明文档》，图1为ChipON可提供的CS-10Vdemo板。

图1

布线注意事项：

l 触摸按键到芯片触摸通道走线宽度为0.3mm到0.6mm为宜。

l 触摸走线与走线之间保持2倍的触摸走线宽度。

l PCB 触摸走线面必须进行铺地处理，触摸走线与铺地距离为0.25mm到0.5mm，触

摸走线宽度有关，0.3mm触摸走线与铺地距离可为 0.25mm，0.6mm触摸走线与铺地

距离可为0.5mm。

l 触摸弹簧或焊盘到芯片触摸通道走线长度小于10cm为宜。

l 图1弹簧最大截面处，与其余弹簧保持大于等于8mm距离为宜，参考下图 2，以减少弹簧之间的空间耦合系数。

l 触摸弹簧上盖板厚度建议为3-5毫米为宜

l 如下图3为确保稳定性，不建议用户在 K4 与 K7 处放置按键。

l 干扰源为电源处进入，触摸走线建议距离电源VCC至少1cm距离。

l VCC与VPP处电路设计如下图4，滤波电阻电容靠近芯片放置，，接地对芯片VSS最小环路。

l 触摸通道选择3K电阻。

图2

图3

图4

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2.3常见CS测试整改方法
在CS测试过程中，常见问题有触摸误触发，按键不识别，触摸灵敏度下降等问题，整改方式如下：
触摸误触发，软件上综合灵敏度提高识别滤波圈数TCS_AMOUNT，以消除误触发，或者可增大手指识别阀值。。
按键不识别，首先检查触摸算法是否由于空间辐射过大，按键进入保护状态导致按键不识别。如果为防水库，有水识别阀值需要与正常手指识别阀值设置一致。防止算法由于按键保护，按键参考有水识别阀值，正常按键无法达到有水识别阀值。设置异常按键数保护参数_KF8_Define_Disturb_Channels_Amount_大于产品触摸按键数，排除算法对触摸按键保护引起的按键不识别。进行以上程序参数调整后，测试如可以正常按键，不论是否有误触发发生，可判断为采样值噪声干扰过大，此时应该从适当放宽噪声阀值，手指识别阀值与识别圈数等参数方向进行整改，直到可以正常按键并且无误触发发生为止。
触摸灵敏度下降，由于空间辐射干扰会造成触摸采样值不稳定，按键按下和释放由于滤波原因，程序需要更多的时间确认状态，此时可会产生相对正常情况下按键灵敏度下降的问题。本质的解决方法是减小空间辐射对通道的影响，从电源以及触摸电路设计上进行优化。软件上，可以通更改芯片运行主频，提高芯片处理速度来规避该问题，提高程序处理速度后，上述问题可能不会被人为感知，从主观上规避灵敏度下降。

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2.4 触摸EFT设计与测试常见问题整改方式

EFT测试过程中常见有三种情况，芯片复位，触摸跳键，程序跑飞。

芯片复位，复位可能为程序复位，VPP复位，VDD复位。首先关闭程序看门狗功能，确认是否为程序复位，确认为程序复位可使用低一级别的芯片主频时钟；其次检查芯片VPP引脚电路，当该电路为接上拉电阻方式时，可尝试增大VPP引脚对地电容进行测试，如问题未解决，更改芯片VPP引脚接下拉电阻电路，下拉电阻大小为1K与VPP对地电容并联，或者VPP引脚直接接地（直接地不能下载程序）；最后VDD复位可尝试更改VDD对GND的滤波电容大小，测试104,105等电容情况。滤波电容位置尽可能靠近芯片VDD与GND，尽量减小对地回路。

触摸跳键，根据实际情况，识别滤波圈数TCS_AMOUNT参数可更改为大于等于4圈（综合灵敏度考虑），适当减小异常按键数保护参数_KF8_Define_Disturb_Channels_Amount_，使异常情况下更容易进入保护，综合产品性能考虑降低噪声阀值，增大识别阀值。硬件方面可对PCB板进行铺地处理，减少空间干扰。