电容式触摸控制器PCB布局

在目前市场上可提供的PCB(印刷电路板)基材中，FR4是最常用的一种。FR4是一种玻璃纤维增强型环氧树脂层压板，PCB可以是单层或多层。

在触摸模块的尺寸受限的情况下，使用单层PCB不是总能行得通的，通常使用四层或两层PCB。在本文中，我们将以最常用的两层PCB为例来介绍PCB布局，意在为S-TouchTM电容触摸感应设计所用的各种PCB (如FR4、柔性PCB或ITO面板)的结构和布局提供设计布局指导。

PCB设计与布局
       在结构为两层的PCB中，S-TouchTM触摸控制器和其他部件被布设在PCB的底层，传感器电极被布设在PCB的顶层。

图1 基于两层板的电容式触摸模组的结构

每个传感器通道所需的调谐匹配电容器可以直接布设在该传感器电极的底层。需要指出的是，S-TouchTM触摸控制器布设在底层，应该保证其对应的顶层没有布设有任何传感器电极。顶层和底层的空白区域可填充网状接地铜箔。

图2.1  两层PCB板的顶层

图2.2  两层PCB板的底层

设计规则
第1层(顶层)
       ● 传感器电极位于PCB的顶层(PCB的上端与覆层板固定在一起)。为提高灵敏度，建议使用尺寸为10 x 10 毫米的感应电极。可以使用更小尺寸的感应电极，但会降低灵敏度。同时，建议感应电极的尺寸不超过15 x 15毫米。如果感应电极超过这一尺寸，不但会降低灵敏度，而且会增加对噪声的易感性。
       ● 空白区域可填充接地铜箔(迹线宽度为6密耳，网格尺寸为30密耳)。
       ● 顶层可用来布设普通信号迹线(不包括传感器信号迹线)。应当尽可能多地把传感器信号迹线布设在底层。
       ● 感应电极与接地铜箔的间距至少应为0.75毫米。

第2层(底层)
       ● S-TouchTM控制器和其它无源部件应该设计布局在底层。
       ● 传感器信号迹线将被布设在底层。 不要把一个通道的传感器信号迹线布设在其他传感通道的感应电极的下面。

图3 触摸极板下的传感器信号迹线走线方式

● 空白区域可填充接地铜箔 (迹线宽度为6 密耳，网格尺寸为30密耳)。
       ● 传感器信号迹线与接地铜箔的间距应当至少是传感器信号迹线宽度的两倍。
       ● 为降低串扰，应当尽可能地增大两个感应电极/感应信号迹线之间的距离。在可能的情况下，在两个感应电极/感应信号迹线之间加入接地铜箔。
       ● 传感器信号迹线的长度并不需要完全等长。因为使用匹配调谐电容，完全可以使两条通道之间的输入电容达到平衡。然而，在PCB空间允许的情况下，最好使用长度相等的传感器信号迹线(传感器电极的尺寸也是统一的)。这样一来，为了把所有传感通道的传感器容抗值调整至控制器感应的动态范围以内，只需设置一个标准参考电容即可，简化了设计难度。
       ● 任何时钟、数据或周期信号迹线都不应该与传感器的信号迹线相邻平行布设。这些信号线应当尽可能地与传感器的信号迹线垂直，或者布设在PCB的其他区域。
       ● 如果时钟、数据或任何周期信号迹线确实需要与传感器的信号迹线平行布设，它们应当被布设在不同的层并且不能重叠，而且应当尽可能地缩短信号迹线平行部分的长度。

图4 传感器信号迹线和周期信号迹线相邻时平行布设

接地铜箔
       在前面对两层FR4 PCB的介绍中，接地铜箔被用来填充PCB的空白截面区域。接地铜箔能够帮助触摸模块屏蔽外部噪声源，还能够稳定传感器线路的固有电容。
然而，使用接地铜箔时需要事先注意几个问题。这是因为接地铜箔会增加传感器的固有电容，还会增加由于水滴导致的错误检测的可能性。
接地铜箔设计指南：
       ● 建议使用网状的接地铜箔，而非实心的接地铜箔。建议使用20%的网状接地铜箔(迹线宽度为6密耳，网格尺寸为30密耳)。接地铜箔的角度应当设置为45°。
       ● 传感器到接地铜箔的间隔应当至少为0.5 毫米，建议使用0.75毫米。
       ● 传感器信号迹线到接地铜箔的间隙应当至少是迹线宽度的两倍。
       ● 对于四层PCB来说，如果布设在第三层的传感器信号迹线大于10厘米，为了把长迹线的电容负载降至最低，建议不要在底层布设接地铜箔。
       ● 如果对覆层板使用部分导电材料，建议不要在顶层布设接地铜箔。
       ● 如果电容感应系统需要在潮湿环境中工作，建议不要在顶层布设接地铜箔。

传感器基本功能描述与指南
       电容传感器电极是指一种用来测量手指电容的导电极板。它被连接至S-TouchTM控制器的感应通道的输入端。传感器电极可以被制作成各种几何形状和尺寸，以便具有不同的功能和应用。

触摸按键
       触摸按键的基本功能是检测是否有手指在触按。 S-TouchTM控制器可测量触摸按键感应电极的电容。如果手指比较靠近触摸按键，当所测量的电容变化超过预先设定的阀值，就会检测到手指触摸的发生。

图5 触摸按键形状

触摸按键可以被设计成各种形状，例如方形、圆形、三角形或其他形状。如果限定了PCB的尺寸，所设计的按钮形状应当最大化地利用空间，以便提供最佳的灵敏度。
对于覆盖有2-3毫米的丙稀酸塑料层外壳的应用，建议使用最小尺寸为10 x 10毫米的正方形传感电极。建议最大尺寸不要超过15 x 15毫米。如果超过该尺寸，不仅无法提高灵敏度，而且还会加剧噪声易感性。

触摸滑动条
       触摸滑动条的基本功能是用来检测手指在一维方向上的滑动位置。
       触摸滑动条的典型应用之一是进行音量控制。可以使用两种方法来实现触摸滑动条：触摸状态滑动条和比例计量滑动条。

把方形触摸按键按顺序紧密排列在一起，即可以设计成触摸状态滑动条。

图6 触摸状态滑动条的实现

位置	传感器开启（ON）
1	S1
2	S1, S2
3	S2
4	S2, S3
5	S3
6	S3, S4
7	S4
8	S4, S5
9	S5

表1 触摸状态滑动条的设计

当检测到某传感通道处于开启状态时，就能确定手指在触摸滑动条上的位置。在上例中，使用了5个传感通到来检测9个位置。如果S1 和S2 通道同时处于开启状态，就意味着手指的位置位于位置2。

对于覆盖有2-3毫米的丙稀酸塑料层外壳的应用，建议使用最小尺寸为10 x 10毫米的传感电极。滑动条传感器之间的间隙值建议为0.75毫米。两个相邻传感电极之间的间隙不要超过1毫米。这是为了确保当手指正好位于间隙内时，两个传感器通道能够同时开启。

触摸状态滑动条的优点是设计简单，在噪声环境下具有较高的稳定性。然而，如果需要数量较多的位置，该方法则会因为需要过多传感器通道而无法实施。

另一种方法是使用比例计量滑动条。该方法不是通过检测每个传感通道上的触摸状态来实现，而是根据每个传感器通道所测得的确切电容变化来确定手指的位置。当测得每个传感通道的确切电容变化后，通过进行比例计算来确定手指的确切位置。

图7 比例计量滑动条的实现

上述位置中的手指触摸会导致三个传感通道电极的电容增加。由于手指覆盖面积的不同，每个传感器所增加的电容值也不相同。然后，对传感器的原始电容数据进行处理，就可以获得手指在滑动条上的绝对位置。

触摸旋转器
       同滑动条一样，触摸旋转器也是基于触摸状态和比例计量方法实现的。
       应用触摸状态方法的旋转器通过检查每个传感通道的状态来确定手指的位置。应用比例计量方法的旋转器，通过测量由于手指触摸而导致的各个传感通道增加的确切电容来确定手指的位置。手指在旋转器上滚动时，会导致几个传感通道的电容增大。然后，通过计算这些传感通道所增加的电容值，可以计算得出手指触摸的确切位置。

图8 触摸状态和比例计量触摸旋转器的实现

触摸旋转器对于手指触摸检测的稳定性取决于要求的分辨率和传感通道的数量。对于高分辨率的触摸旋转器来说，可能需要使用更多的传感通道，而不一定像图8中所示的那样仅使用了三个传感通道。

其他考虑因素
       按照这些基本的设计指引进行PCB设计和布局，能够使电容感应应用更加可靠。在PCB设计中，还要考虑其他的重要因素，包括：
       ●  PCB上无浮板/极板。PCB 的空白区域可填充接地铜箔或留空。
       ●  PCB应当设计成所需要的参考电容值小于20 pF (该参考电容值是在硬件调整期间确定的)，并且各个通道的固有电容应小于10pF。如果大于此值，则需要修改某些基本布局，如降低接地铜箔的密度，扩大感应输入迹线/电极到接地铜箔的间距，缩小传感器信号迹线的宽度，甚至去除接地铜箔。如果感应输入电容的最大值超过10 pF，则需要使用调谐电容进行匹配设置。
       ●  尽可能地把各个感应通道之间的固有电容的差别控制在10 pF以内(可在硬件调整期间测定这一差别)。如果超过10 pF，需要降低迹线长度和传感器电极尺寸的失配，来进行重新布局以便把差别降至最低。
       ●  在I2C SDA和SCL线路中安装串联电阻器，以便过滤连接主板和触摸模块的线束所引起的噪声干扰，或来自可能导致I2C信号失真的电源噪声的干扰。