Touch应用笔记_PCB设计

只看该作者 · 2018-9-19 11:05

本帖最后由 hello18 于 2018-9-19 11:04 编辑

Touch应用笔记_PCB设计

1、按键

   根据不同需求，触摸按键的材料通常为 PCB 铜箔、金属片、平顶弹簧等，不同按键均需按照相应规则去设计使用。
1.1 形状和尺寸
   按键一般被用于检测一次单独的按键操作，按键的形状有多种，可以被设计为圆形、方形、三角形等。当设计触摸按键时，焊盘的形状并不很重要。焊盘的大小是要考虑的设计参数，焊盘大，则便于检测，且灵敏度更高；而焊盘小，则不易检测。基本的规则是：焊盘的大小应和人手指的平均尺寸差不多，以适合手指按压按键；例如 12.7mm*12.7mm 的正方形就是一个很好的触摸按键。同时焊盘上应敷阻焊油、不露铜。
除单独的按键外，触摸还可以设计为滑条、滑轮、矩阵等。根据 ADI 公司的推荐，按键大小尺寸如下表：

通常在按键的中间挖空，使PCB下方的光线可以通过挖空部分导到PCB上方，照亮覆盖物上的字符。按键的挖空尺寸和按键大小相关，如下表

另外，外形并不是一个关键参数。具有相似大小的圆形与推荐的正方形外形具有相同的功能。若是弹簧式按键，应尽量保证各弹簧按键到面板的距离一致、弹簧顶端与触摸面板之间尽量不要有缝隙。
1.2 按键间距
另外一个需要考虑的是一个按键与相邻按键间的间距。当一个人触摸按键，或它的覆盖层（塑料或玻璃等），人的手指不仅对当前的触摸按键，也对其相邻的触摸按键产生额外的电容，只是对相邻的触摸按键影响稍小。在相邻焊盘间保持一定的空隙将为手指的电容提供绝缘。通常4.7mm的空隙就足够了。图1显示了推荐的布板，黑色的正方形为覆铜焊盘，相当于按键。

1.3 覆盖层
   通常很少将裸露的PCB直接开放给终端用户，而是在PCB的表面加上覆盖材料，以免用户直接接触电路板或电路板直接与外界环境相接触。
1.3.1  材料
   覆盖材料包括窗户玻璃和Plexiglas®等。这些常用的材料具有不同的厚度，其厚度和焊盘与接触表面间的材料成分影响到灵敏度。由公式1可知，介电常数高的材料更适用于感应式应用。
1.3.2  厚度选择
   从电容触摸触摸按键的角度来看，其厚度与灵敏度成反比，非常薄的覆盖层是最理想的。因为它提高了灵敏度，同时具有更高的精度。
   因此，在使用HolyChip产品开发时，为保证一定的触摸感应灵敏度和精度，覆盖材料的厚度选择不超过4mm，2mm以内效果更佳。滚轮与滑动条需要更高的灵敏度，因此表面材料厚度必须更小(约1mm)。同时要求触摸按键正上方1mm以内不能有金属，触摸按键50mm以内的金属必须接地，否则会影响按键的灵敏度。
1.3.3  特性
   触摸感应应用中的表面覆盖物一定不能为导体。且金属或其它导电物质也不能放置在两个导电盘之间时，人的手指按压有可能触发处于覆盖层下的所有按键，这等同于失效。
   平板电容的电容值公式：

2、 PCB 设计
2.1  地层
   不推荐将触摸按键的走线放在任何电源层上。充满在触摸按键下面的地层或电源层会增加对地的寄生电容，并降低灵敏度。如果可能，地层不应与感应元件放在同一层。铺地需要使用网格铺铜，网格线宽度为10mil，间隙为40mil。
   在噪声环境下，最敏感的区域必须加地层。对于具有很强电磁干扰的应用，屏蔽连接到焊盘的走线可提高抗干扰能力。显然，按键界面不可能完全被地环绕包围，但如果屏内部可以屏蔽起来，则可保护而不受 EMI 干扰而产生相关的问题。
   为了避免感应区域的二次辐射及减少不期望的影响，应保持浮动金属远离触摸按键信号。

2.2 通讯线隔离
不要将触摸感应的走线靠近通讯线，如I2C或主SPI通信线为高频走线，需要使这些高频走线远离触摸检测线。可以选择将触摸按键走线选择在MCU的不同侧或不同层。若这些走线必须交叉时，最好使高噪声的高频走线与触摸检测线垂直，以减小RF干扰。如下图所示。

2.3  LED 使用
   在用户板上，常常需要 LED 靠近触摸按键。当设计带 LED 的应用板时，必须考虑以下因素：
  （1）LED 的开/关会改变电容值
  （2） LED 开/关时其走线会改变阻抗值
  （3）LED 负载电流会影响电源轨道电流
   如果 LED 靠近触摸按键，且经常被激活，建议使用一个电容(小于 1nF)旁路 LED 或其驱动器走线。LED 的两端必须为低阻抗通路至地(或电源)。否则，LED 必须使用旁路电容以抑制高阻抗。
2.4  电源
   对电源处理得要求是避免电源纹波过大，较大的电源纹波可能会影响触摸按键的稳定性，应尽量减小电源纹波。
  （1）强烈推荐对 MCU 电源进行滤波（滤掉来自于电源的传导噪声，采用电解电容+104 瓷片电容，电解电容应不小于 20uF）或使用电压调节器（如 LDO 等）。同时电压调节器应放得离触摸按键走线和传感设备尽可能远。
  （2）电源线可通过串接磁珠增强EFT性能，磁珠应尽量靠近接插件接口位置。
  （3）电源线宽不能低于 1mm。
  （4）电源线上的去耦电容应尽量靠近芯片的 VDD 和 GND 管脚。
  （5）连到 MCU 上的电源线不要再引出去驱动其它负载。
   VDD 和 VSS 的布线方式可参考下图：
   U1 为触摸 MCU，GND 以及+5V 两根线经过 C1(47uF 铝制电解电容)，在经过 C2(104 贴片电容)后接入 MCU 去耦电容(C4)后进入 MCU。

2.5  PCB 走线
   MCU 与触摸按键之间的走线会增加按键电容并降低信号，从而降低触摸按键的灵敏度。走线长度会降低灵敏度，因为它会增加感应电路的并联电容。走线长度也会增加噪声，因为走线同时会受内部电路与外部噪声环境的影响。
   缩短从MCU至触摸按键之间的走线长度可降低其它元件与走线产生耦合的风险。MCU与触摸按键之间的走线应尽可能短。
   线宽会增加整个系统的铜覆盖面积，从而增加触摸按键的电容。同时也会增加与其它层上元件的耦合。因此，走线应尽可能细小，且远离地层。Trace线宽不能大于10mil(0.254mm)，建议6mil。不同通道的走线彼此之间的距离应该保证在两倍线宽以上。如果布局允许，应尽量保证各TK通道走线的长度一致。
   同时，将走线放置在用户PCB的背面可降低手指对走线的影响，以确保触摸按键引脚上的所有电容值变化是来自于手指(或其它导体)与有效传感面积的相互作用，而不是来自于手指与走线的相互作用。
2.6  其他
  （1）触摸按键走线上串一电阻，建议阻值 1KΩ，封装应当使用 0603 或 0402，并且应该尽量靠近 MCU；
  （2）触摸 Pad 的周围建议铺地，地与触摸 Pad 的间距不能小于 20mil；
  （3）触摸 Pad 的背面铺网状地或不铺地（铺地会降低灵敏度，但可以避免一些干扰）；
  （4）Trace 与其它数字电路及大电流电路（VDD,LED 驱动电路）分开走线，或者用地隔离，以免其相互干扰；
  （5）触摸 Pad 的下面尽量不要走线，特别是大电流电路；
  （6）触摸 Pad 最小面积建议不小于 20mm ² ，决定于工作电压和覆盖物的厚度，没有特别限制；
  （7）使用一个较高频率的基频侦测 TP，容易受电源相似频率的干扰，如变频器干扰等，所以要避开能产生此干扰的产品上使用；