触摸屏电磁干扰源解析

开发设计移动手持装置的触摸屏人机界面是一项富有挑战的复杂设计工作，尤其对于投射式电容触摸屏设计来说更是如此，而这项技术是当前多点触摸界面的主流。投射式电容触摸屏能够精确定位屏幕上手指轻触的位置，他通过测量电容的微小变化来判别手指位置。在此类触摸屏应用中，需要考虑的一个关键设计问题是电磁干扰(EMI)对系统性能的影响。本文主要针对造成系统性能下降、影响触摸屏设计的干扰源进行探讨和分析。

投射式电容触摸屏构成

投射式电容传感器通常安装在玻璃或塑料透明盖板下方。图 1 显示双层式传感器简易侧面图。发射(Tx)和接收(Rx)电极连接到透明铟锡氧化物(ITO)，组成交叉矩阵，每个Tx - Rx 接点上都有一个特殊电容。Tx ITO 位于 Rx ITO 下方，被一层薄薄的聚合物薄膜和/或光学胶(OCA)隔开。如图所示，Tx 电极方向从左至右，Rx 电极方向从纸外指向纸内。

传感器工作原理

让我们暂时不考虑干扰因素，对触摸屏工作原理进行分析：通常操作人员的手指处于地电势。Rx 通过触摸屏控制器电路也被置于地电势，同时 Tx 电压可变。变化的 Tx 电压使电Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2流通过 Tx-Rx 电容。一个经过精细测算过的 Rx 集成电路隔离并测量进入 Rx 的电荷，测量的电荷代表与 Tx 和 Rx 相连的“互感电容”。

传感器状态：未触摸

图 2 显示未触摸状态下磁通线示意图。在没有手指触碰的情况下，Tx-Rx 磁力线占据盖板内相当大空间。边缘磁力线投射到电极外更远的地方 - 因此称作“投射式电容”。

传感器状态：触摸时

如图 3 所示，当手指触摸盖板时，Tx 与手指之间形成的磁通线，取代大部分 Tx-Rx 边缘磁场。通过这种方式，手指触摸减少 Tx-Rx 互感电容。电荷测量电路识别出电容变化(delta C)，因此，检测到 Tx-Rx 连接点上方的手指。通过对所有 Tx-Rx 矩阵的交汇点进行 delta C 测量，可以得到整个面板的触摸分布图。

图3 还显示出另一个重要的影响：手指和 Rx 电极之间产生耦合电容，通过这条路径，电子干扰可能会耦合到 Rx。在一定程度上，手指-Rx 间耦合是不可避免的。

专用术语

投射式电容触摸屏干扰通过不易察觉的寄生路径耦合产生。术语“地”通常用于指 DC 电路参考点或者指通过低阻抗连接到大地，两者所指不同。实际上，对于便携式触摸屏装置来说，这种差别正是触摸耦合干扰产生的根本原因。为了分清和避免混淆，我们使用下列术语来讨论触摸屏干扰。

Earth(地) - 与大地连接，例如，通过 3 孔 AC 电源插座的地线连接到大地

Distributed Earth(分布式地) - 通过电容连接物体和大地

DC Ground(直流地) - 便携式装置的 DC 参考节点

DC Power(直流电源) - 便携式装置的电池电压。或者与便携式装置连接的充电器输出电压，例如 USB 接口充电器中的 5V Vbus

DC VCC(直流 VCC 电源) - 为便携式装置电子器件(包括 LCD 和触摸屏控制器)

Neutral(零线) - AC 电源回路，地电势

Hot(火线) - AC 电源电压，与地电势相对

LCD Vcom 耦合到触摸屏接收线路

便携式装置触摸屏可以直接安装到 LCD 显示屏上。典型的 LCD 架构中，液晶材料在透明的高低电极之间发生偏置。低电极决定显示屏的单个像素，而高电极通常是连续平面，覆盖整个显示屏可视前端，在电压 Vcom 产生偏置。在典型低压便携式装置(例如手机)中，AC Vcom 电压为 DC 地和 3.3V 之间来回震荡的方波。AC Vcom 电平通常每个显示行切换一次，因此所产生的 AC Vcom 频率为显示帧刷新率的 1/2 与行数的乘积。典型的便携式装置 AC Vcom 频率通常为 15kHz。图 4 为 LCD Vcom 电压与触摸屏耦合示意图。

双层触摸屏通常由布满 Tx 和 Rx 阵列的隔离 ITO 层组成，中间为绝缘层。Tx 线占据整个Tx 阵列行距宽度，中间仅靠最小线间距隔开，以满足生产所需。这种架构通常被称为自屏蔽式(self-shielded)，主要是因为 Tx 阵列把 Rx 阵列与 LCD Vcom 屏蔽开。然而，通过 Tx 带间空隙，耦合依旧可能发生。为了降低架构成本，并获得更好的透视性，单层触摸屏将 Tx 和 Rx 阵列安装在单个 ITO层上，每个独立的连接依次跨越每个阵列。因此 Tx 阵列不能在 LCD Vcom 平面和传感器Rx 电极之间形成屏蔽层。这可能发生潜在的严重 Vcom 干扰耦合。

充电器干扰

触摸屏干扰的另一个潜在来源是电源供电之蜂窝电话充电器中的开关电源。如图 5 所示，干扰通过手指被耦合到触摸屏上。小型蜂窝电话充电器通常有 AC 电源火线和零线输入，但没有连接地线。充电器是安全隔离的，所以在电源输入和充电器次