触摸板PCB制作-TM12

1、布局：

使 PSoC 与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。 通常将 PSoC 与其他组件一起贴装到底层，而将 CapSense Sensor置于顶层上。

 Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层 

2、电路板厚度：目前发现基于 FR4 的设计可采用的标准电路板厚度为 0.020" (0.5mm)、0.047" (1.2 mm) 和 0.063" (1.6 mm)。那么电路板多薄才合适呢？一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。

3、走线长度和宽度：必须使走线和Sensor的寄生电容 CP 最小化以确保系统的动态范围尽可能大。那么走线到底应该多长呢？在成功的 CapSense 产品中，用于滑条的最长走线是 9" (230 mm)，而用于按钮的最长走线是 12" (300 mm)。（这个极限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆盖物,以最大化来自Sensor的信号。）走线宽度将添加至Sensor CP，并且会增加耦合至其他层上的元件。0.0065" - 0.008" (0.17 - 0.20mm) 的走线宽度能满足大多数应用的需要。

4、过孔：应使用最少的过孔并与 CapSense 输入的走线保持一致以最小化 CP。可在Sensor上的任何位置进行过孔布置，如图 8 所示。

图 8 触摸板的过孔可以在Sensor的任何位置（底层走线、顶层Sensor）

5、通讯信号走线：电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号走线，例如 I2C 或 SPI 主控制器。如果需要让通讯信号走线与Sensor引脚交叉，那么应确保二者彼此垂直。是减小通讯信号走线和Sensor走线之间交互的有效方式之一，就是通过端口分配来实现隔离。

6、铺地层：为了使 CP 最小化，推荐在Sensor层上进行 40% 的铺地，而非Sensor层则进行 60-80% 的铺地。

图 9 最小化 C_P 的部分铺地

7、

覆盖物厚度：表 1 针对 PSoC CapSense 应用（塑料覆盖物）列出了所推荐的最大覆盖物厚度。介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用。普通玻璃其介电常数 εr ≈8，而塑料的介电常数 εr≈2.5。对于相同水平的灵敏度，根据 εr /2.5 的比率就能估算出塑料覆盖物的厚度。依据这种经验法则，对于同一灵敏度的普通玻璃覆盖物的厚度就应大约是塑料覆盖物厚度的三倍。

表 1 针对CapSense 应用推荐使用的塑料覆盖物的厚度

信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都会减弱。其中典型的关系曲线如图 10 所示。可将信号定义为手指接触和手指离开状态平均输出中的差值。噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰-峰值差。

图 10 随着覆盖物厚度的增加，信号电平开始下降

覆盖物粘合剂：覆盖物材料必须与感应 PCB 保持良好的机械接触。手套：如果Sensor必须在戴手套的情况下工作，那么

在设计按钮尺寸时应将手套材料的厚度添加到总的覆盖物厚度中。干皮革和橡胶与塑料类似，其介电常数介于 2.5-3.5 之间。滑雪手套的介电常数为 2 或更小，这取决于手套绝热的空气含量。

8、LED 背光：CapSense 能够与 LED 背光一起出色地工作，仅需在感应铜箔上截一个孔并保持 LED 走线位于电路板的底层即可。

9、一个 PCB 上有多个 PSoC：对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计时可能要求具有两个或多个专用于 CapSense 的 PsoC。如果情况确需如此，就应隔开按钮以便使铺地从每个按钮组的走线中独立出来。此举可防止独立的 CapSense 组之间发生耦合。

10、

形状：用于感知手指触摸的推荐形状为实心圆形，如图 11 所示。、

图 11 推荐使用的形状为实心圆形

当按钮周围的间隙增加时电容 CP 反而会降低。CP 与间隙的曲线关系示例如图 12 所示，图 12 还显示了三种按钮尺寸（直径5mm、10mm和15mm）的情形。

图 12 CP 为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数 (0.062" 厚度, FR4)

保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。图 13 显示了按钮直径的使用指南。对于 1mm 厚的有机玻璃覆盖物，推荐的按钮直径是 9mm。

图 13 按钮直径与覆盖物厚度的关系

3.5. 噪声过滤

 

通过传导和辐射源会将噪声引入到 CapSense 系统中。传导性噪声可通过电源和信号线路进入系统。蜂窝电话或荧光灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类型的噪声都存在时，固件中的过滤技术可用于增大 CapSense 系统的信噪比 (SNR)。PsoC 仅仅需要几行代码就能够实施FIR 和 IIR 数字滤波器。

FIR 滤波器：与电源线路噪声的频率相比，手指触按事件的频率会偏低。在此情况下，低通滤波器 (LPF) 就成为一种非常高效的噪声过滤解决方案。FIR LPF 可定义如下：

y = ( x1 + x2 + … + xN ) / N          (1)

 

每个噪声周期会对原始计数采样 N 次。N 个采样可根据公式 (1) 结合到一起。在 50 Hz 的噪声环境下，采样周期必须为 18 ms/N。FIR 滤波器的性能会随着 N 的次数增加而提高，因此只要系统允许就应使 N 值尽可能大。

IIR 滤波器：FIR 滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比 IIR 更高阶的滤波器才能获得相同的结果。这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻合。因此在某些时候，对 LPF 来说，IIR 滤波器是更为合适的选择。表 2 对 FIR 滤波器和 IIR 滤波器进行了具体比较。

表 2 低通滤波器 FIR 与 IIR 的比较

RF 可干扰任何电容感应系统的运行，包括 CapSense（见参考书目 [4]）。在电场强度足够高的地方，RF 干扰会导致误判的按钮触摸事件，或者妨碍了真正的按钮触摸感应。蜂窝电话就是很好的例子，其将 RF 发送器和按钮近距离地有意结合到一起。

对于低电平的 RF 信号，CapSense 电路不会对系统的数字输出有任何的影响，因为低电平的 RF 信号看起来像是背景噪声，因而系统往往会忽略这种噪声。当 RF 功率增加时，CapSense 计数会偏移恒定的数量，该数量可通过干扰的功率电平进行设定。RF 信号为交流信号，但是由于 CapSense 输入端上二极管的作用使得对 CapSense 计数的影响却是直流信号。计数中的正漂移可导致误判的按钮触摸事件，而负偏移则会妨碍感应到真正的按钮触摸。CapSense 用户模块的手指和噪声阈值允许在计数中存在小偏移，在此情况下仍可正常工作。对于高电平的 RF 干扰，就需要采用其他的测量办法。以下是两种可用的解决方案：

3.7. ESD 考虑因素

当湿度很低时，人体静电可达到 15 KV。具体电压因 CapSense 用户所穿衣服类型的不同而有所差异，如图 23 所示。

图 23 人体静电电压与有关湿度和物质类型的关系

表 3 显示了普通覆盖物材料承受 12 KV 电压所需的最低厚度。如果遵循了表中的厚度指南，那么 CapSense 系统中的覆盖物将会避免 PSoC 遭受永久性损坏。Kapton 胶带非常适合于需要特别 ESD 保护的应用。

表 3 避免被击穿的覆盖物击穿电压以及最低厚度