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高靈敏度觸控按鍵MCU PCB設(shè)計要點

發(fā)布日期:2021-12-15 點擊次數(shù):3469




1.1 高靈敏度觸控按鍵MCU應(yīng)用電路
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(yīng)盡量靠近觸摸芯片放置;
  3. 基準(zhǔn)電容 Cadj 接在 MCU 的 CMOD 與 VSS 管腳之間,作為觸控感應(yīng)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(zhì)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(yīng)先經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(jīng)過 C1(10uF 鉭電 容),再經(jīng)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(yīng)盤 Sensor Pad
  1. 根據(jù)不同應(yīng)用需求感應(yīng)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(yīng)按鍵,作為感應(yīng)盤的銅箔上應(yīng)敷阻焊油、不露銅,感應(yīng)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(yīng)盤;
  3. 銅箔式感應(yīng)按鍵要求感應(yīng)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(yīng)按鍵,應(yīng)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(yīng)盡量細(xì),線寬推薦值為 0.3mm,如果因工藝等限制,觸摸網(wǎng)絡(luò)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(yīng)盤應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其它網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)盤時手指最容易覆蓋到的地方要避免經(jīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)按鍵的投影面強烈建議不放置非 TK 網(wǎng)絡(luò)的元器件和走線;
  7. TK 通道網(wǎng)絡(luò)的正反面要盡可能避免經(jīng)過其它網(wǎng)絡(luò)的跳線或走線。如無法避免,應(yīng)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(luò)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(luò)應(yīng)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(yīng)盤四周其它觸控網(wǎng)絡(luò)最少的 TK 通道,其周圍應(yīng)有 GND 敷銅,且 GND 敷銅與該 TK 通道的感應(yīng)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(cè)的 1 個 TK 通道,TK4 周圍觸控網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少,根據(jù)第 3 點要求需對 TK4 的感應(yīng)盤周圍進(jìn)行 GND 敷銅處理。右側(cè)的 TK1 和周圍只有左側(cè)有一個 TK 通道,同理也需做相同處理


在感應(yīng)盤周圍的 GND 網(wǎng)絡(luò)敷銅時要注意:
      1) 避免 GND 網(wǎng)絡(luò)的銅皮形成閉合環(huán)路;
      2) GND 的敷銅僅限于感應(yīng)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(luò)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離 GND 網(wǎng)絡(luò);
  5. 如果是雙面板,要避免在 TK 通道的走線和感應(yīng)盤背面進(jìn)行 GND 網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電性的,避免使用金屬及含碳等導(dǎo)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(yīng)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(shè)計要點
2.1 導(dǎo)電膠圈觸摸方案
  導(dǎo)電膠圈為碳纖成分導(dǎo)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(diào)整不同的材料配比,在保持 PP 塑料固有的特性上增加導(dǎo)電的效能。
 本公司提供了一種導(dǎo)電膠圈的觸控方案,用戶可以利用導(dǎo)電膠圈導(dǎo)電的特性,使用導(dǎo)電膠圈做為感應(yīng)盤,替代原 觸摸板上的彈簧,可簡化生產(chǎn)裝配流程。
 本公司提供的導(dǎo)電膠圈觸摸方案有兩種:
  1. 插件式導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)盤的導(dǎo)電膠圈實物及尺寸要求如下圖:

下圖從左到右分別是導(dǎo)電膠圈裝配在 PCB 上的側(cè)面、正面和背面圖:



2.1.1 導(dǎo)電膠圈的材質(zhì) 
  用戶在導(dǎo)電膠圈開模前應(yīng)與導(dǎo)電塑膠廠家詳細(xì)溝通,確認(rèn)材質(zhì)的導(dǎo)電性能,具體參數(shù)可參考下表:

2.1.2 導(dǎo)電膠圈的形狀
  1. 導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(yù)留兩個卡扣,方便固定在 PCB 上,卡扣的松緊程度要保證導(dǎo)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(dǎo)電膠圈的下方經(jīng)過其它網(wǎng)絡(luò)走線的情況,如下圖所示:


  上圖中其它網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電膠圈開模時,將導(dǎo)電膠圈會接觸到其它網(wǎng)絡(luò)走線的部分削去一部分,讓膠圈距離其它網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電膠圈直接接觸到其它網(wǎng)絡(luò)的走線:

2.1.3 導(dǎo)電膠圈方案的 PCB 布線要求
  導(dǎo)電膠圈作為觸控感應(yīng)盤時也需要保證與 TK 通道網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電膠圈的接觸面積:


上圖具體說明如下:
  1. 藍(lán)色部分為導(dǎo)電膠圈的卡扣開槽,需配合導(dǎo)電膠圈卡扣的尺寸調(diào)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(luò)的銅皮,綠色部分代表導(dǎo)電膠圈。觸控網(wǎng)絡(luò)的銅皮在導(dǎo)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(dǎo)電膠圈的厚度,且盡量保證與導(dǎo)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(dǎo)電膠圈和觸控網(wǎng)絡(luò)銅皮無法安裝在同一面的情況 請參考 2.1.5 導(dǎo)電膠圈和 TK 網(wǎng)絡(luò)的銅皮在 PCB 不同面的情況;
  3. 為防止銅皮裸露產(chǎn)生氧化、腐蝕等情況影響銅皮與導(dǎo)電膠圈的接觸,銅皮表面應(yīng)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(luò)相連的銅皮無法起到增加接觸面積的作用,因此與導(dǎo)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(luò)銅皮的錯誤畫法,用戶在 PCB 布線時一定要避免:










2.1.4 導(dǎo)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(nèi),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(nèi)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(biāo)號放在了導(dǎo)電膠圈的安裝范圍內(nèi)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(dǎo)電膠圈和 TK 網(wǎng)絡(luò)的銅皮在 PCB 不同面的情況
  由于生產(chǎn)、工藝等限制,部分用戶會將導(dǎo)電膠圈安裝在 PCB 無銅皮的一面,這時膠圈和觸控網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電膠圈卡扣的接觸點上要盡量多敷銅。膠圈投影面范圍 內(nèi)、有銅皮的一面仍要按照 2.1.3 導(dǎo)電膠圈方案的 PCB 布線要求要求敷銅,因為導(dǎo)電膠圈和 TK 網(wǎng)絡(luò)的銅皮可以 以 PCB 板材為介質(zhì)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(yīng)盤的顯示屏
  在數(shù)碼管顯示屏或 LCD 顯示屏內(nèi)放入金屬類感應(yīng)盤,并將感應(yīng)盤通過管腳引出,就可以做成帶觸摸感應(yīng)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(yīng)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(yīng)盤的顯示屏布線要求
1. 下圖為帶觸摸感應(yīng)盤的顯示屏感應(yīng)盤布線示意圖,紅色部分為顯示屏內(nèi)的觸控感應(yīng)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(yīng)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(yán)格按照本文 1.3 布線要求進(jìn)行數(shù)碼屏內(nèi)部走線的 layout。下圖為錯誤示意圖,用戶在設(shè)計數(shù)碼屏?xí)r 一定要避免。



  3. 通常顯示屏內(nèi)部布線是由顯示屏生產(chǎn)廠家完成的,因此用戶在顯示屏打樣前應(yīng)和顯示屏生產(chǎn)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(chǎn)廠家。
    2.2.2 帶觸摸感應(yīng)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(nèi)置感應(yīng)盤的投影面范圍內(nèi)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(yīng)的感應(yīng)盤投影面范圍內(nèi)不要放置非 TK 通道的器件和走線。 觸控 MCU 也不要放到感應(yīng)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(yīng)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:



2.3 平面管與觸摸感應(yīng)盤相結(jié)合的方案
  在平面管內(nèi)的 PCB 上大量敷銅作為觸控的感應(yīng)盤,并將銅皮通過管腳引出,可實現(xiàn)平面管與觸摸感應(yīng)盤相結(jié) 合,替代原有的平面管+彈簧的觸摸方案。平面管與觸摸感應(yīng)盤相結(jié)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(chǎn)裝配變得更加方便。
  下圖為平面管實物圖:


帶觸摸感應(yīng)盤的平面管內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)電兩種材料,推薦用戶選擇導(dǎo)電材料的外殼。因為導(dǎo)電材料的外殼與平面管內(nèi)部 觸控感應(yīng)盤接觸后可增加觸摸感應(yīng)的變化量,提升按鍵性能。
導(dǎo)電材料外殼平面管打樣時需注意:
  1. 感應(yīng)盤銅皮需接觸到導(dǎo)電外殼上;
  2. 平面管內(nèi) LED 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)不能與導(dǎo)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(luò)銅皮有接觸到導(dǎo)電外殼,LED 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)離導(dǎo)電外殼和 TK 網(wǎng)絡(luò)




2) 上圖:錯誤!LED 網(wǎng)絡(luò)的銅皮接觸到了導(dǎo)電外殼,LED 亮滅時產(chǎn)生的干擾會影響到 TK 的變化量;



3) 上圖:錯誤!感應(yīng)盤銅皮沒有接觸到導(dǎo)電外殼,削弱了 TK 上感應(yīng)的變化量。

2.3.2 平面管內(nèi) PCB 布線要求 
平面管內(nèi) 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(shè)計時要盡量減少 LED 網(wǎng)絡(luò)與觸摸網(wǎng)絡(luò)間的耦合。在布 線時應(yīng)盡量避免 LED 的走線與觸摸感應(yīng)盤銅皮來回穿插的情況,LED 網(wǎng)絡(luò)也要盡量遠(yuǎn)離觸控網(wǎng)絡(luò);
  2. 為確保觸摸按鍵的靈敏度,平面管內(nèi)觸摸感應(yīng)盤銅皮的面積應(yīng)盡量大,推薦面積:不小于 10mmX10mm; 3. 平面管內(nèi)的觸摸感應(yīng)盤需通過觸控引出腳才能連接到觸摸 MCU 的 TK 網(wǎng)絡(luò)上,因此要確保平面管 PCB上的觸摸感應(yīng)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(nèi)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(yīng)線圈
  為保證遠(yuǎn)距離情況下接近感應(yīng)通道的性能,應(yīng)當(dāng)減小接近感應(yīng)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(yīng)通道的感應(yīng)線圈,感應(yīng)線圈的面積要盡量大。
2.5 帶觸控的 LCD 屏設(shè)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(fù)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(zhì)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(yīng) PAD 與 SEG 或者 COM 共用一層,三層ITO 時觸控感應(yīng) 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(cè)涂一層黑色的物質(zhì)來指示按鍵的位置,按鍵部分涂有 ITO 做觸控感應(yīng) 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(nèi),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(nèi),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(yīng)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(cè)圖示:在 LCD 屏左右兩側(cè)引線,由于上下兩排 TK 間距太小,限制了 TK 走線的 寬度,導(dǎo)致阻抗過大,應(yīng)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(shè)計注意事項
  1. 當(dāng)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(nèi),LCD 屏幕在設(shè)計時應(yīng)做到:顯示的面積盡量小,觸摸感應(yīng)盤的面積盡量大。
  2. 第一種 LCD 屏實現(xiàn)觸控較為簡單,產(chǎn)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(fù)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(yīng) 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(shè)計即可。

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