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高靈敏度觸控按鍵MCU PCB設計要點
發(fā)布時間：2021-12-15 18:20:27 瀏覽：5948次
下圖以SC92F8463為例，實現(xiàn)顯示和11路高靈敏度觸控按鍵的功能：
1.2 Layout 整體布局要求
1.2.1 芯片及匹配電阻位置
1. 布局時盡量將觸摸 MCU 放置在多個觸控按鍵的中心位置；
2. 匹配電阻推薦阻值為 510R，應盡量靠近觸摸芯片放置；
3. 基準電容 Cadj 接在 MCU 的 CMOD 與 VSS 管腳之間，作為觸控感應電路的充放電電容，是實現(xiàn)觸控功
能的重要器件，它保障了觸控電路的正常工作。Cadj 容值范圍為 472-104，推薦使用 103 電容，材質無 特殊要求；
4. Cadj 電容需要盡量靠近芯片管腳。
1.2.2 電源電路
1. 電源線和地線應先經過電容濾波（電解電容+104 瓷片電容）之后再分別接入 MCU 的 VDD 和 VSS 管腳， 也可將電解電容換為鉭電容，容值不小于 10uF；
2. 104 電容布局時應緊靠 MCU 的 VDD 及 VSS 引腳放置；
3. 功率部分與 MCU 控制部分的電源分立，功率部分應在 104 電容前取電。
VDD 和 VSS 的布線方式可參考下圖：
U1 為觸控 IC，兩根高亮的走線一個連到 U1 的 VDD，一個連到 U1 的 VSS，這兩根線先經過 C1（10uF 鉭電 容）,再經過 C2（104 貼片電容），最后再接入 U1 的 VDD 和 VSS 管腳上。
1.2.3 感應盤 Sensor Pad
1.2.3 感應盤 Sensor Pad
1. 根據(jù)不同應用需求感應盤（Sensor Pad）的材料通常為 PCB 銅箔、金屬片、平頂彈簧等；
2. 若是銅箔式感應按鍵，作為感應盤的銅箔上應敷阻焊油、不露銅，感應盤的形狀要盡量規(guī)則對稱，推薦使 用直徑在 13mm~14mm 的圓形或橢圓形感應盤；
3. 銅箔式感應按鍵要求感應盤銅箔與觸摸面板的垂直距離不大于 3mm，否則觸摸靈敏度降低。距離大于 3mm 的項目請聯(lián)系要本公司工程師；
4. 若是彈簧式感應按鍵，應盡量保證各彈簧按鍵到面板的距離一致、彈簧頂端與觸摸面板之間盡量不要有縫 隙。
1.3 布線要求
1. TK 通道走線應盡量細，線寬推薦值為 0.3mm，如果因工藝等限制，觸摸網(wǎng)絡走線線寬大于 0.5mm 的項 目請聯(lián)系本公司工程師；
2. TK 通道的走線和感應盤應盡量遠離其它網(wǎng)絡的元器件、大電流和高頻信號源（IIC、SPI、RF 等高頻信 號）的走線，盡可能遠離數(shù)碼管；
3. 若板上引出了多個 TK 通道，在布局允許的情況下，應盡量保證各 TK 通道走線的長度一致（布局時將 IC放置在多個 TK 通道的中心位置即可做到）；
4. 不同 TK 通道的走線彼此間的距離盡可能的保證在兩倍線寬以上、不同 TK 通道的感應盤之間的距離要盡
量大，否則鄰鍵干擾會增加，影響觸控性能；
5. 實際操作中，觸摸單個感應盤時手指最容易覆蓋到的地方要避免經過其它 TK 通道的走線，以降低各 TK
通道之間的影響。如下圖所示：黃色的橢圓形代表手指，當觸摸 TK2 時，TK3 通道的走線也會受到手指 的影響：
將 TK3 走線從 TK2 上方繞過，當手指觸摸 TK2 時，TK3 受到的影響會大大降低，如下圖所示
將 TK3 走線從 TK2 上方繞過，當手指觸摸 TK2 時，TK3 受到的影響會大大降低，如下圖所示
6. 感應按鍵的投影面強烈建議不放置非 TK 網(wǎng)絡的元器件和走線；
7. TK 通道網(wǎng)絡的正反面要盡可能避免經過其它網(wǎng)絡的跳線或走線。如無法避免，應采用正反面垂直走線的方式將干擾降到最低，或參考下圖的方式，將正反面不同網(wǎng)絡的走線間距控制在 2 倍線寬以上：
1.4 敷銅要求
1. GND 敷銅可增強 PCBA 的抗干擾性能，建議使用網(wǎng)格式敷銅，銅皮有效面積需小于 40%；
2. GND 敷銅的網(wǎng)絡應從濾波電容 104 之后的 GND 上引出，這樣可以最大限度的屏蔽干擾信號
3. 感應盤四周其它觸控網(wǎng)絡最少的 TK 通道，其周圍應有 GND 敷銅，且 GND 敷銅與該 TK 通道的感應盤 或按鍵的投影面邊沿處的距離不小于 1mm，推薦距離 1.5mm。
如下圖：最左端 TK4 周圍僅有右側的 1 個 TK 通道，TK4 周圍觸控網(wǎng)絡數(shù)量最少，根據(jù)第 3 點要求需對 TK4 的感應盤周圍進行 GND 敷銅處理。右側的 TK1 和周圍只有左側有一個 TK 通道，同理也需做相同處理
在感應盤周圍的 GND 網(wǎng)絡敷銅時要注意：
1) 避免 GND 網(wǎng)絡的銅皮形成閉合環(huán)路；
2) GND 的敷銅僅限于感應盤周圍，所有 TK 通道的走線附近不要敷銅，否則會降低觸控按鍵的靈 敏度。
4. 除第 3 條情況外，其它觸控網(wǎng)絡應盡量遠離 GND 網(wǎng)絡；
5. 如果是雙面板，要避免在 TK 通道的走線和感應盤背面進行 GND 網(wǎng)絡的敷銅，以免影響觸控靈敏度。
1.5 觸摸面板材料選擇
1. 觸摸面板的材料必須是絕緣的或者是非導電性的，避免使用金屬及含碳等導電材料；
2. 觸摸面板的厚度越大，觸摸的靈敏度越小，信噪比也越低。使用亞克力材料時，建議厚度在 1.5~3mm； 3. 觸控面板的材料的介電常數(shù)過小，觸控按鍵感應靈敏度變差，介電常數(shù)過大，觸控按鍵易發(fā)生誤動作。
2 幾種不同的觸摸方案 PCB 設計要點
2.1 導電膠圈觸摸方案
導電膠圈為碳纖成分導電 PP 塑料，由 PP 底材和炭黑、碳纖維、金屬纖維等不同材料混合加工而成，通過在 加工過程中調整不同的材料配比，在保持 PP 塑料固有的特性上增加導電的效能。
本公司提供了一種導電膠圈的觸控方案，用戶可以利用導電膠圈導電的特性，使用導電膠圈做為感應盤，替代原 觸摸板上的彈簧，可簡化生產裝配流程。
本公司提供的導電膠圈觸摸方案有兩種：
1. 插件式導電膠圈方案：此方案與彈簧式觸摸方案使用方法一致
2. 卡扣式導電膠圈方案：本章節(jié)所有描述主要針對此方案
作為觸摸感應盤的導電膠圈實物及尺寸要求如下圖：
下圖從左到右分別是導電膠圈裝配在 PCB 上的側面、正面和背面圖：
下圖從左到右分別是導電膠圈裝配在 PCB 上的側面、正面和背面圖：
2.1.1 導電膠圈的材質
用戶在導電膠圈開模前應與導電塑膠廠家詳細溝通，確認材質的導電性能，具體參數(shù)可參考下表：
2.1.2 導電膠圈的形狀
1. 導電膠圈推薦做成圓環(huán)形，便于裝配，圓環(huán)外徑要求不小于 14mm；
2. 膠圈高度根據(jù)結構件來定，最高不超過 30mm；
3. 膠圈頂端與觸摸面板之間的縫隙不超過 1mm，否則會影響變化量；
4. 膠圈底端要預留兩個卡扣，方便固定在 PCB 上，卡扣的松緊程度要保證導電膠圈裝配上之后與 PCB 緊
密接觸、無縫隙；
5. 由于 PCB 布局的限制，有些用戶會遇到導電膠圈的下方經過其它網(wǎng)絡走線的情況，如下圖所示：
上圖中其它網(wǎng)絡走線上電流的變化會形成噪聲疊加到此 TK 通道上，影響按鍵性能。對于這種情況，我們建議用戶在導電膠圈開模時，將導電膠圈會接觸到其它網(wǎng)絡走線的部分削去一部分，讓膠圈距離其它網(wǎng)絡走線的垂直高 度大于 1mm 即可?？蓞⒖枷聢D：圖中陰影部分為截掉的部分，防止導電膠圈直接接觸到其它網(wǎng)絡的走線：
上圖中其它網(wǎng)絡走線上電流的變化會形成噪聲疊加到此 TK 通道上，影響按鍵性能。對于這種情況，我們建議用戶在導電膠圈開模時，將導電膠圈會接觸到其它網(wǎng)絡走線的部分削去一部分，讓膠圈距離其它網(wǎng)絡走線的垂直高 度大于 1mm 即可?？蓞⒖枷聢D：圖中陰影部分為截掉的部分，防止導電膠圈直接接觸到其它網(wǎng)絡的走線：
2.1.3 導電膠圈方案的 PCB 布線要求
導電膠圈作為觸控感應盤時也需要保證與 TK 通道網(wǎng)絡有接觸，且接觸的面積越大，觸控按鍵的靈敏度越高。
所以我們會在 PCB 上畫出下圖所示的銅皮，用于增加 TK 通道與導電膠圈的接觸面積：
上圖具體說明如下：
1. 藍色部分為導電膠圈的卡扣開槽，需配合導電膠圈卡扣的尺寸調整，保證膠圈裝配之后不會出現(xiàn)松動、脫落。
2. 紅色部為觸控網(wǎng)絡的銅皮，綠色部分代表導電膠圈。觸控網(wǎng)絡的銅皮在導電膠圈的正下方圍成一個圓環(huán)形的銅皮，這塊銅皮的寬度必須大于導電膠圈的厚度，且盡量保證與導電膠圈在PCB的同一面，這樣可以最大化的增加銅皮與膠圈的接觸面積，導電膠圈和觸控網(wǎng)絡銅皮無法安裝在同一面的情況 請參考 2.1.5 導電膠圈和 TK 網(wǎng)絡的銅皮在 PCB 不同面的情況；
3. 為防止銅皮裸露產生氧化、腐蝕等情況影響銅皮與導電膠圈的接觸，銅皮表面應敷綠油；
4. 與膠圈接觸的銅皮面積不可過小，要保證接觸到膠圈的銅皮占到膠圈環(huán)形截面積的 3/4 以上；
5. 沒有與觸控網(wǎng)絡相連的銅皮無法起到增加接觸面積的作用，因此與導電膠圈接觸的銅皮要連續(xù)、不可斷開；
以下四幅圖為觸控網(wǎng)絡銅皮的錯誤畫法，用戶在 PCB 布線時一定要避免：
2.1.4 導電膠圈方案 PCB 上絲印的擺放
2.1.4 導電膠圈方案 PCB 上絲印的擺放
通常用戶會在銅皮上畫一圈絲印用來指示膠圈的裝配，但是這層絲印如果放在了膠圈安裝的范圍內，其厚度會 影響膠圈與銅皮的接觸，建議用戶在膠圈放置的范圍內不要敷白油，下面兩幅圖，左邊為正確的畫法，右邊為錯誤 的畫法，供用戶參考：
另外，其它器件的絲印標號放在了導電膠圈的安裝范圍內也同樣會增加膠圈與銅皮的接觸縫隙，用戶在擺放絲印時一定要注意。
2.1.5 導電膠圈和 TK 網(wǎng)絡的銅皮在 PCB 不同面的情況
由于生產、工藝等限制，部分用戶會將導電膠圈安裝在 PCB 無銅皮的一面，這時膠圈和觸控網(wǎng)絡銅皮的直接
接觸點就是膠圈的兩個卡扣，因此 PCB 有銅皮的一面與導電膠圈卡扣的接觸點上要盡量多敷銅。膠圈投影面范圍 內、有銅皮的一面仍要按照 2.1.3 導電膠圈方案的 PCB 布線要求要求敷銅，因為導電膠圈和 TK 網(wǎng)絡的銅皮可以 以 PCB 板材為介質傳遞變化量，增加另一面的銅皮面積可增加觸摸按鍵的靈敏度。
具體做法可參考下圖：
2.2 帶觸摸感應盤的顯示屏
在數(shù)碼管顯示屏或 LCD 顯示屏內放入金屬類感應盤，并將感應盤通過管腳引出，就可以做成帶觸摸感應盤的 顯示屏。將這一類顯示屏安裝在焊有 本公司觸摸 MCU 的主板上，將顯示屏的感應盤引出腳連接到觸摸 MCU 的觸控 管腳上、顯示屏的 SEG 和 COM 口依次連接到觸摸 MCU 的 I/O 口上，可實現(xiàn)帶觸摸功能的顯示屏方案。
2.2.1 帶觸摸感應盤的顯示屏布線要求
1. 下圖為帶觸摸感應盤的顯示屏感應盤布線示意圖，紅色部分為顯示屏內的觸控感應盤 TK1 和 TK2，通過走線分別引到觸控 TK 引出腳 1 和觸控 TK 引出腳 2 上：
2. 感應盤的引出腳插針上的銅皮要盡量少，防止引入多噪聲，不同 TK 通道之間也要盡量減少接觸。用戶必 須嚴格按照本文 1.3 布線要求進行數(shù)碼屏內部走線的 layout。下圖為錯誤示意圖，用戶在設計數(shù)碼屏時 一定要避免。
2. 感應盤的引出腳插針上的銅皮要盡量少，防止引入多噪聲，不同 TK 通道之間也要盡量減少接觸。用戶必 須嚴格按照本文 1.3 布線要求進行數(shù)碼屏內部走線的 layout。下圖為錯誤示意圖，用戶在設計數(shù)碼屏時 一定要避免。
3. 通常顯示屏內部布線是由顯示屏生產廠家完成的，因此用戶在顯示屏打樣前應和顯示屏生產廠家溝通好 布線注意事項，建議將此份 layout 說明提供給數(shù)碼屏生產廠家。
2.2.2 帶觸摸感應盤的顯示屏主板電路布線要求
顯示屏做好后會裝配到焊有 本公司觸摸控制 MCU 的 PCB 板上，我們稱這塊 PCB 為“主板”。主板上有觸摸控制MCU、電源控制等元器件。為保證觸摸按鍵的性能，顯示屏內置感應盤的投影面范圍內要盡量避免放置非 TK 通道 的器件和走線，即：顯示屏裝到主板上以后，主板對應的感應盤投影面范圍內不要放置非 TK 通道的器件和走線。 觸控 MCU 也不要放到感應盤的投影面下方。
下圖是主板正確布線示意圖，U2 是觸摸控制 IC，綠色部分代表顯示屏上感應盤的投影。
‘
以下四幅是錯誤布線示意圖，用戶布板時一定要注意避免：
2.5.3 LCD 觸控屏幕設計注意事項
‘以下四幅是錯誤布線示意圖，用戶布板時一定要注意避免：
2.3 平面管與觸摸感應盤相結合的方案
在平面管內的 PCB 上大量敷銅作為觸控的感應盤，并將銅皮通過管腳引出，可實現(xiàn)平面管與觸摸感應盤相結 合，替代原有的平面管+彈簧的觸摸方案。平面管與觸摸感應盤相結合的方案簡化了 BOM，降低了對平面管形狀的 限制，同時也使生產裝配變得更加方便。
下圖為平面管實物圖：
帶觸摸感應盤的平面管內部結構圖如下：
2.3.1 平面管的外殼
帶觸摸感應盤的平面管內部結構圖如下：
2.3.1 平面管的外殼
平面管的外殼可分為絕緣和導電兩種材料，推薦用戶選擇導電材料的外殼。因為導電材料的外殼與平面管內部 觸控感應盤接觸后可增加觸摸感應的變化量，提升按鍵性能。
導電材料外殼平面管打樣時需注意：
1. 感應盤銅皮需接觸到導電外殼上；
2. 平面管內 LED 相關網(wǎng)絡不能與導電外殼接觸。
具體可參考以下三幅圖，第一幅為正確示意圖，第二、三幅為錯誤示意圖：
1) 上圖：正確，TK 網(wǎng)絡銅皮有接觸到導電外殼，LED 網(wǎng)絡遠離導電外殼和 TK 網(wǎng)絡
2) 上圖：錯誤！LED 網(wǎng)絡的銅皮接觸到了導電外殼，LED 亮滅時產生的干擾會影響到 TK 的變化量；
3) 上圖：錯誤！感應盤銅皮沒有接觸到導電外殼，削弱了 TK 上感應的變化量。
1) 上圖：正確，TK 網(wǎng)絡銅皮有接觸到導電外殼，LED 網(wǎng)絡遠離導電外殼和 TK 網(wǎng)絡
2) 上圖：錯誤！LED 網(wǎng)絡的銅皮接觸到了導電外殼，LED 亮滅時產生的干擾會影響到 TK 的變化量；
3) 上圖：錯誤！感應盤銅皮沒有接觸到導電外殼，削弱了 TK 上感應的變化量。
2.3.2 平面管內 PCB 布線要求
平面管內 PCB 布線要求如下：
1. LED 燈的亮滅會增加觸摸按鍵上的噪聲，用戶在設計時要盡量減少 LED 網(wǎng)絡與觸摸網(wǎng)絡間的耦合。在布 線時應盡量避免 LED 的走線與觸摸感應盤銅皮來回穿插的情況，LED 網(wǎng)絡也要盡量遠離觸控網(wǎng)絡；
2. 為確保觸摸按鍵的靈敏度，平面管內觸摸感應盤銅皮的面積應盡量大，推薦面積：不小于 10mmX10mm； 3. 平面管內的觸摸感應盤需通過觸控引出腳才能連接到觸摸 MCU 的 TK 網(wǎng)絡上，因此要確保平面管 PCB上的觸摸感應銅皮與觸控引出腳是有連接的。
以下四幅圖是兩個燈珠的平面管 PCB 布線示意圖，LED1 和 LED2 是平面管內的兩個 LED 燈珠。只有第一幅正確，另外三幅是錯誤的，用戶布板時一定要注意避免：
2.4 接近感應線圈
為保證遠距離情況下接近感應通道的性能，應當減小接近感應通道上的寄生電容。推薦使用線寬為 2-3mm 的 環(huán)形閉合走線作為接近感應通道的感應線圈，感應線圈的面積要盡量大。
2.5 帶觸控的 LCD 屏設計說明
2.5.1 帶觸控的 LCD 屏
1. LCD 顯示屏一般共有兩層玻璃，中間充滿液晶，有顯示的地方在上下玻璃上雕刻 ITO 組成正負兩個基板（SEG 和 COM），基板通過 ITO 做引線連接到封裝出來的管腳上；
2. 一般情況下觸控按鍵以及觸控通道走線的材質均為 ITO，有時為了降低觸控按鍵的走線阻抗，采用銀漿走 線代替觸控按鍵上的 ITO 走線，要求觸控按鍵走線最大阻抗不超過 1.5K?；
3. 觸控 LCD 屏 ITO 涂層有兩層和三層兩種，兩層 ITO 時觸控感應 PAD 與 SEG 或者 COM 共用一層，三層ITO 時觸控感應 PAD 單獨在最上面一層。
2.5.2 常見的三種帶觸控的 LCD 屏
第一種（優(yōu)選方案）：顯示與按鍵完全分開，按鍵部分沒有顯示，在最下層玻璃外側涂一層黑色的物質來指示按鍵的位置，按鍵部分涂有 ITO 做觸控感應 PAD：
此類屏幕上觸控按鍵的走線較短，通常觸控走線上的阻抗都能控制在 1KΩ 以內，易實現(xiàn)穩(wěn)定有效的觸控，建議用戶優(yōu)先選擇此類 LCD 屏。
此類屏幕上觸控按鍵的走線較短，通常觸控走線上的阻抗都能控制在 1KΩ 以內，易實現(xiàn)穩(wěn)定有效的觸控，建議用戶優(yōu)先選擇此類 LCD 屏。
第二種：顯示區(qū)域有按鍵，通過顯示來指示按鍵的位置，此類 LCD 屏有三層 ITO，按鍵在最上層；
此類屏幕由于按鍵分布在整個屏幕范圍內，觸控通道的走線長度差異較大，最大阻抗在 5KΩ 以上，如 下圖中間圖示。為減小阻抗應該修改為觸控走線在 LCD 屏的上下兩邊引線，從而減小阻抗。
第三種：按鍵區(qū)域有顯示，通過顯示來指示按鍵的位置，此類 LCD 屏有兩層 ITO，按鍵與顯示的 SEG 或者 COM 共用一層 ITO；
此類屏幕如下圖右側圖示：在 LCD 屏左右兩側引線，由于上下兩排 TK 間距太小，限制了 TK 走線的 寬度，導致阻抗過大，應該修改為向下引線，增加 TK 走線的寬度，來減小阻抗。
2.5.3 LCD 觸控屏幕設計注意事項
1. 當按鍵周圍有顯示時，顯示的亮滅會給 TK 帶來較大的噪聲。為減小噪聲、增加大變化量，使信噪比在正常范圍內，LCD 屏幕在設計時應做到：顯示的面積盡量小，觸摸感應盤的面積盡量大。
2. 第一種 LCD 屏實現(xiàn)觸控較為簡單，產品抗干擾性較好，建議用戶優(yōu)先選用；
3. 第二種和第三者 LCD 屏由于走線較為復雜，為保證觸控效果和觸控性能，需滿足以下條件：
1) TK 走線阻抗小于 1.5 K?
2) 觸控感應 PAD 的面積 ≥ 顯示范圍面積*1.5 倍。
2.6 彈簧觸控方案說明
此方案最為通用，對 layout 的要求相比其它方案都要小很多。用戶在布局及布線時按照 1.2 Layout 整體布局 要求設計即可。
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