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级线圈之间没有 DC连接。然而，这仍然会通过开关电源隔离变压器产生电容耦合。充电器干扰源在屏幕上触摸的手指上产生返回路径。

注意，在这种情况下，充电器干扰是指装置供电电压与大地之间的干扰，这种干扰可能被当成 DC 电源和 DC 地之间的“共模”干扰。在充电器输出的 DC 电源和 DC 地之间所产生的电源开关噪声，如果没有被完全过滤掉，则可能会影响触摸屏的正常运行。这种电源纹波抑制(PSRR)问题是另外一种干扰情况，本文不做讨论。

充电器耦合阻抗

充电器开关干扰通过变压器初级-次级绕组漏电容(大约 20pF)耦合产生。这种弱电容耦合现象可以被充电器和装置本身所产生的寄生并联电容抵消。拿起装置时，并联电容将增加，这通常足以消除充电器开关干扰，避免干扰影响触摸屏运行。充电器产生干扰的最坏一种情况是，便携式装置放在桌面上并连接到充电器，同时操作人员手指与触摸屏接触。

充电器开关干扰构成

典型的蜂窝手机充电器采用反激式(flyback)电路拓扑。这种充电器所产生的干扰波形比较复杂，而且不同充电器产生的干扰波形差异很大，他取决于电路和输出电压控制策略。干扰振幅的变化也很大，这取决于制造商在开关变压器屏蔽设计上投入的努力和成本。典型参数包括：

波形：包括复杂的脉宽调制方波和 LC 振铃信号波形

频率：额定负载下 40–150kHz，负载很高时，脉冲频率或跳转周期操作下降到 2kHz以下

电压：最高为峰值电压的一半= Vrms / sqrt(2)

充电器电源干扰构成

在充电器前端，AC 电源电压整流产生充电器高电压，这样，充电器开关电压器件也产生幅值为电压一半的正弦波。与开关干扰相似，此电源电压也是通过开关隔离变压器产生耦合。在 50Hz 或 60Hz 时，该组成部分的频率远低于开关频率，其产生的有效耦合阻抗更高。电压干扰的严重程度取决于对地并联阻抗特性，同时还取决于触摸屏控制器对低频的灵敏度。

电源干扰的特殊情况：3 孔插头不带接地功能

额定功率较高的电源适配器，例如笔记本电脑 AC 适配器，可能会配置 3 孔 AC 电源插头。为了抑制输出端 EMI，充电器可能把主电源地引脚内部连接到输出的 DC 地。此类充电器通常在火线和零线以及地线间连接 Y 类电容器，从而抑制来自电源线上的 EMI。假设地线连接存在，该类适配器不会对供电 PC 和 USB 连接的便携式触摸屏装置造成干扰。图 5 中的虚线框说明了此种配置。

对于 PC 和连接 USB 的便携式触摸屏装置来说，PC 充电器的 3 孔电源插头插入没有地线连接的电源插座，这是充电器干扰的一种特殊情况。Y 类电容器耦合 AC 电源到 DC 输出地。相对而言，较大的 Y 类电容器值能够更有效的耦合电源电压，这使得较大电源频率电压通过触摸屏上手指产生的阻抗耦合相对较低。

小结

当今广泛用于便携式装置的投射式电容触摸屏，很容易受到电磁干扰。来自内部或外部的干扰电压会通过电容耦合到触摸屏装置，这些干扰电压引起触摸屏内的电荷运动，可能会对手指触摸屏幕时的电荷运动测量造成混淆。因此，触摸屏系统的有效设计和优化取决于对干扰耦合路径的认识，并对其尽可能进行消减或补偿。

干扰耦合路径涉及到寄生效应，例如变压器绕组电容和手指-装置间电容。对这些影响进行适当的建模，可以充分理解和认识到干扰的来源和大小。

对于许多便携式装置来说，电池充电器构成触摸屏主要的干扰来源。当操作人员用手指接触触摸屏时，所产生的电容使得充电器干扰耦合电路得以关闭。充电器内部屏蔽设计的质量和是否有适当的充电器接地设计，是影响充电器干扰耦合的关键因素。