了解触摸屏中的电磁干扰源
投射式电容触摸屏能够根据手指轻触屏幕进行的触摸定位。它通过测量电容的微小变化来确定手指的位置。开发具有触摸屏界面的移动手持设备可能是一项复杂的设计挑战，尤其是对于代表当前多点触控界面主流技术的投射式电容触摸屏而言。此类触摸屏应用的一个关键设计考虑因素是电磁干扰 (EMI) 对系统性能的影响。在本文中，我们将探讨可能对触摸屏设计产生负面影响的干扰导致性能下降的，以及如何减轻它们的影响。
投射电容触摸屏几何结构
典型的投射电容传感器安装在玻璃或塑料盖板的下面。图 1 显示了两层型传感器的简化边缘视图。发射 (Tx) 和接收 (Rx) 电极绘制在透明的氧化铟锡 (ITO) 中，形成交叉迹线矩阵，每个 Tx-Rx 结都具有特征电容。Tx ITO 位于 Rx ITO 下方，由一层薄薄的聚合物薄膜和/或光学透明粘合剂 (OCA) 隔开。如图所示，Tx电极从左向右运行，Rx电极运行到页面中。
图 1： 传感器几何参考
传感器正常运行
操作员的手指名义上处于地电位。触摸屏控制器电路将 Rx 保持在地电位，并改变 Tx 电压。变化的 Tx 电压会感应电流流过 Tx-Rx 电容。精心平衡的 Rx 积分电路隔离并测量进入 Rx 的电荷移动。该测量电荷表示连接 Tx 和 Rx 的“互电容”。
传感器条件：未触及
图 2 显示了未触及条件下的磁通线。在没有手指触摸的情况下，Tx-Rx 场线会占据盖板内相当大的空间。这些边缘场线投射到电极几何形状之外——因此称为“投射电容”。
图 2： 未触及的通量线
传感器条件：触摸
当手指触摸盖板时，Tx 和手指之间会形成通量线，从而取代大部分 Tx-Rx 边缘场，如图3所示。以这种方式，手指触摸减少了Tx-Rx互电容。电荷测量电路识别这种变化的电容 (delta C)，并检测到手指在 Tx-Rx 结点上方的存在。通过在 Tx-Rx 矩阵中的所有交叉点进行 delta C 测量，生成面板上的触摸图。
图 3： 接触的磁通线
图 3 展示了一个重要的附加效应：手指和 Rx 电极之间的电容耦合。通过这条路径，电干扰可能会耦合到 Rx 上。某种程度的 finger-Rx 耦合是不可避免的。
有用的术语
投射式电容触摸屏中的干扰是通过不完全直观的寄生路径耦合的。术语“接地”通常可互换使用，指的是直流电路参考节点或与地球的低电阻连接。这些不是相同的术语。事实上，对于便携式触摸屏设备而言，这种差异是触摸耦合干扰的本质原因。为了澄清和防止混淆，我们将在评估触摸屏干扰时使用以下术语。
接地 ——连接到地球，例如通过 3 针交流电源插座的接地针
分布式地球 ——物体与地球的电容连接
直流接地 (GND) – 便携式设备的直流参考节点
直流电源 ——便携式设备的电池电压。或者，连接到便携式设备的充电器的输出电压，例如 USB 接口充电器的 5V Vbus。
DC VCC – 为便携式设备电子设备供电的稳压电压，包括 LCD 和触摸屏控制器
中性- 交流电源返回，标称地电位
热– 交流电源电压，相对于中性点通电
耦合到触摸屏接收线的 LCD Vcom
便携式设备触摸屏可以直接安装在 LCD 显示器上。在典型的 LCD 配置中，液晶材料偏置在上下透明电极之间。下电极定义显示器的各个像素。上部公共电极是横跨显示器可见正面的连续平面，偏置电压为 Vcom。在手机等典型低压便携式设备中实现的交流 Vcom 电压是在直流接地和 3.3V 之间振荡的方波。AC Vcom 平面通常每显示行切换，因此产生的 AC Vcom 频率是显示帧刷新率乘以行数的一半。典型的便携式设备 AC Vcom 频率可能为 15 kHz。图 4 显示了 LCD Vcom 电压如何耦合到触摸屏中。
图 4： LCD Vcom 干扰耦合模型
两层触摸屏是通过 Tx 和 Rx 阵列在单独的 ITO 层上实现的，由介电层隔开。Txtraces 占据 Tx 阵列间距的整个宽度，仅由制造所需的 trace-trace 间隙分隔。这种类型的结构称为自屏蔽，因为 Tx 阵列将 Rx 阵列与 LCD Vcom 屏蔽开来。然而，仍有可能通过 Tx 条带之间的间隙发生耦合。
为了经济建设和实现更好的透明度，单层触摸屏在单个 ITO 层上实现了 Tx 和 Rx 阵列，并应用了单独的分立桥来跨越一个阵列。因此，Tx 阵列不会在 LCD Vcom 平面和传感器 Rx 电极之间形成屏蔽层。这表示潜在的严重 Vcom 干扰耦合情况。
充电器干扰
触摸屏干扰的潜在是市电手机充电器中的开关电源。干扰通过手指耦合到触摸屏，如图5所示。小型手机充电器通常具有交流电源火线和零线输入，但没有接地连接。充电器是安全隔离的，因此电源输入和充电器次级之间没有直流连接。但是，开关电源隔离变压器仍然存在电容耦合。充电器干扰的返回路径是通过手指触摸屏幕。
请注意，在这种情况下，充电器干扰是指相对于地向设备施加的电压。这种干扰可能被描述为“共模”，因为它同样出现在直流接地和直流电源上。如果没有充分过滤，充电器输出直流地和直流电源之间出现的电源开关噪声可能会影响触摸屏操作。此电源抑制比 (PSRR) 是一个单独的问题，本方案未解决。
图 5： 充电器干扰耦合模型
充电器耦合阻抗
充电器开关干扰由变压器初级-次级绕组漏电容耦合，约为 20 pF。这种弱耦合的影响被充电器电缆和受电设备本身中出现的分布式接地寄生分流电容所抵消。将设备握在手中应用更多分流，通常足以有效缩短充电器开关干扰并防止干扰触摸操作。当便携式设备连接到充电器并放在桌面上并且操作者的手指仅接触触摸屏时，会出现坏情况的充电器产生的干扰情况。
充电器开关干扰组件
典型的手机充电器使用反激式电路拓扑。它们产生的干扰波形很复杂，并且在充电器之间变化很大，具体取决于电路细节和输出电压控制策略。干扰幅度有很大差异，这取决于制造商为开关变压器中的屏蔽分配的设计工作量和单位成本。典型参数包括：
波形：复杂，由脉冲宽度调制方波和随后的 LC 振铃组成
频率：标称负载下为 40 – 150 kHz，当负载非常轻时，脉冲频率或跳周期操作将频率降至 < 2 kHz
电压：高达电源峰值电压的二分之一 = Vrms / sqrt(2)
图 6
充电器市电干扰元件
在充电器前端内部，交流市电电压经过整流后产生充电器高压轨。因此，充电器开关电压分量处于电源电压二分之一的正弦波上。与开关干扰类似，该电源电压也通过开关隔离变压器耦合。在 50 或 60 Hz 时，该组件的频率远低于开关频率，因此其有效耦合阻抗成比例地更高。电源电压干扰的重要性取决于对地分流阻抗的特性以及触摸屏控制器对低频的灵敏度。
电源干扰特殊情况：3 针插头未接地
额定功率更高的电源适配器，如笔记本电脑交流适配器，可能配备 3 针交流电源插头。为了抑制输出端的 EMI，充电器可能会将电源接地引脚内部连接到输出直流接地端。此类充电器通常将 Y 电容器从电源线和中性线连接到地，以抑制电源上的传导 EMI。如果按预期存在接地连接，则此类适配器不会对通电 PC 和 USB 连接的便携式触摸屏设备造成干扰问题。这种配置由图 5中的虚线框表示。
如果将具有 3 针电源输入的 PC 充电器插入没有接地连接的电源插座，则 PC 及其 USB 连接的便携式触摸屏设备会发生充电器干扰的特殊情况。Y 电容器将交流电源耦合到输出直流地。相对较大值的 Y 电容器非常有效地耦合电源电压，导致通过触摸屏上的手指以相对较低的阻抗耦合较大的电源频率电压。
总结
当今便携式设备中普遍使用的投射式电容触摸屏容易受到电磁干扰。干扰电压从触摸屏设备内部和外部的源电容耦合。这些干扰电压会导致触摸屏内的电荷移动，这可能与由于手指触摸屏幕而测量到的电荷移动相混淆。触摸屏系统的有效设计和优化取决于了解干扰耦合路径并尽可能地减轻或补偿它们。
干扰耦合路径涉及寄生效应，例如变压器绕组电容和手指设备电容。对这些影响进行适当的建模可以详细了解干扰的和大小。
