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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-05-12 00:46
0 引言
觸摸屏是目前最簡單、方便和直接的一種人機交互方式。觸摸屏的應(yīng)用非常廣闊，汽車娛樂系統(tǒng)目前也普遍使用了觸摸屏，觸摸屏的應(yīng)用給駕駛者帶來了良好的用戶體驗，同時也對汽車娛樂系統(tǒng)的EMC設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
觸摸屏根據(jù)感應(yīng)原理可分為電阻式、電容式、聲波式和光學(xué)式等。目前，電容式觸摸屏憑借其高靈敏度、多點觸摸和壽命長等特點，已成為汽車娛樂系統(tǒng)市場的主流。本文主要對電容觸摸屏進行介紹和EMC設(shè)計分析。
1 電容觸摸屏簡介
當(dāng)手指觸摸在觸摸屏上時，手指和觸摸屏表面形成一個耦合電容，耦合電容對于觸摸屏表面的持續(xù)掃描脈沖信號是導(dǎo)體，于是手指吸收走一部分的電流，控制器通過對變化電流比例的計算得出觸摸點的位置。
觸摸屏的水平和垂直方向分布著若干根“X Line”和“Y Line”，X Line會發(fā)射100kHz至300kHz的脈沖信號，Y Line會接收到X Line耦合過來的信號。如果沒有手指觸摸，整個觸摸屏范圍內(nèi)的Y Line檢測的電流值是一定的，如果有手指觸摸，則Y Line上耦合到的信號會因為連接了手指產(chǎn)生的耦合電容而會發(fā)生明顯變化。
2 電容觸摸屏的EMC設(shè)計
如上節(jié)所述，電容觸摸屏檢測用的脈沖信號頻率在100kHz至300kHz之間，汽車電子EMC測試標(biāo)準(zhǔn)中的RE(Radiated Emission)和BCI(Bulk Current Injection)測試都覆蓋了這個頻段，如果處理不當(dāng)將很容易導(dǎo)致RE測試結(jié)果超標(biāo)和BCI測試時觸摸屏誤觸發(fā)。另外，由于電容觸摸屏在汽車電子EMC測試中需要經(jīng)受多次±25kV靜電放電測試，所以如果相關(guān)防護設(shè)計不夠理想，會容易導(dǎo)致觸摸屏損壞或者觸摸屏驅(qū)動IC失效的問題。
2.1 電容觸摸屏RE問題及解決措施
RE測試是衡量被試品通過空間輻射對其他設(shè)備的干擾能力。汽車電子的RE測試頻率一般從100kHz開始，所以在低頻段會測出電容觸摸屏的檢測信號。在筆者一個項目的第一次摸底時發(fā)現(xiàn)在低頻段嚴(yán)重超標(biāo)，如圖2紅色曲線所示。
通過排除法定位了騷擾源頭來自電容觸摸屏檢測用的脈沖信號，而此脈沖信號各參數(shù)完全是由觸摸屏控制器控制，要有效降低輻射值必須通過修改觸摸屏控制器的軟件設(shè)置來修改脈沖信號的參數(shù)。在不影響觸摸屏報點各項性能的前提下以下措施的應(yīng)用通過實驗驗證會明顯降低脈沖信號導(dǎo)致的電磁輻射。
（1）降低脈沖信號的電壓和電流。
觸摸屏在滿足充電時間時可以降低輸出脈沖信號的電壓和電流。
（2）脈沖上升沿設(shè)置為緩慢上升。
觸摸屏控制器為了縮短大尺寸觸摸屏屏充電時間從而提高報點率一般都會將脈沖上升沿配置為快速上升，即上升沿在100ns左右。而對于汽車電子產(chǎn)品，報點率不會要求太高的情況下可以將斜率改為緩慢上升，即上升沿在500ns左右。
（3）在觸摸屏無觸摸動作10秒后工作模式從Active轉(zhuǎn)為Idle。
所謂Active模式是指控制器連續(xù)發(fā)出脈沖信號，Idle模式是指控制器間隔一段時間發(fā)出脈沖信號。這樣測試時天線在單個頻點單位時間內(nèi)檢測到的能量就少了很多。
（4）增大脈沖間隔時間和減少脈沖個數(shù)。
增大脈沖間隔時間和減少脈沖個數(shù)同樣可以降低天線在單個頻點單位時間內(nèi)檢測到的能量。
其中措施（1）和（2）會降低測試的峰值，措施（3）和（4）會降低測試的平均值和準(zhǔn)峰值。
2.2 電容觸摸屏BCI問題及解決措施
BCI是用來衡量各車載設(shè)備抵御耦合到線束上的射頻干擾信號的能力，是汽車電子產(chǎn)品常用的一種抗干擾型式試驗方法。一般測試的頻率范圍是100kHz至400MHz。筆者一個項目在做BCI測試時發(fā)現(xiàn)在130kHz左右出現(xiàn)觸摸屏誤觸發(fā)的現(xiàn)象。根據(jù)觸摸屏的脈沖工作頻率，判定觸摸屏受到了BCI的同頻干擾。這個問題同樣需要通過修改觸摸屏控制器的軟件設(shè)置來修改脈沖信號的參數(shù)。
BCI測試時觸摸屏的整體噪聲會明顯加大，加大到一定程度后將會影響觸摸屏報點的正確性，觸摸屏在檢測到時整體噪聲即將到影響正確報點時一般有下面兩種做法：
（1）屏蔽觸摸屏所有的報點；
（2）采用跳頻形式避開干擾點。
對于EMC測試，因為測試頻率范圍很寬，所以一般采用第（1）種方法，而如果噪聲是來自產(chǎn)品本身且有固定的頻率（如開關(guān)電源）可以采用第（2）種辦法。
另外，不同的客戶對BCI的測試方法和要求不完全一樣，有些客戶要求在BCI測試時同時有模擬手在不斷觸摸屏幕，同時不能有誤報點。這種測試要求下必須采用上述的第（2）種方法。當(dāng)客戶沒有此要求時可以采用第（1）種方法，相比第（2）種方法第（1）種方法更容易實現(xiàn)且效果更加明顯。
2.3 電容觸摸屏ESD設(shè)計
ESD是觸摸屏EMC設(shè)計中最需要重點考慮的，因為一旦ESD失效，光靠像上述RE和BCI那樣修改觸摸屏控制器的軟件可能不能徹底解決問題，還需要原理圖、PCB和結(jié)構(gòu)等共同配合解決，這些修改不但會影響項目的進度而且會增加BOM成本。所以這里列出相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗供大家參考。
（1）確定觸摸屏玻璃厚度時需要參考最高測試電壓等級。確保ESD不會擊穿玻璃將觸摸屏傳感器打壞。
（2）觸摸屏傳感器的ITO“橋”在不影響透光率的前提下盡量做粗。ITO“橋”是傳感器最薄弱而容易被ESD打壞的地方，將“橋”做粗可以通過更大的ESD電流從而降低燒壞的概率。
（3）觸摸屏邊緣的地線盡量做粗。ESD容易對觸摸屏邊緣的保護地線放電，如果地線較細(xì)不能給ESD提供低阻抗的泄放回路，將會引起ESD流過傳感器。
（4）對于COF（Chip On FPC）的觸摸屏需要將控制器芯片的地與系統(tǒng)的地良好且可靠接觸。對于COB（Chip On Board）的觸摸屏需要將控制器芯片下面設(shè)置成完整的地平面并和系統(tǒng)地低阻抗連接。
（5）觸摸屏控制器的軟件需要設(shè)置屏蔽“大手指”的報點輸出。ESD對觸摸屏放電時，會引起觸摸屏表面較大面積的電荷變化，反饋到控制器就像一個很大的手指按上了一樣，軟件設(shè)置成屏蔽“大手指”后可以有效解決觸摸屏誤報點的問題。
（6）原理圖設(shè)計時需要在觸摸屏與系統(tǒng)的接口處預(yù)留TVS等ESD保護措施。
（7）PCB layout時需要將觸摸屏與系統(tǒng)的通訊走線做包地處理，提高其抗干擾能力。
3 結(jié)束語
本文是基于汽車電子項目得出的觸摸屏EMC設(shè)計經(jīng)驗，因為汽車電子的EMC標(biāo)準(zhǔn)相比其他類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)，所以對于其他類含觸摸屏產(chǎn)品EMC設(shè)計時也可以參考本文的設(shè)計。
對差模干擾的整改對策：
1. 增大X電容容值
2. 增大共模電感感量，利用其漏感，抑制差模噪聲（因為共模電感幾種繞線方式，雙線并繞或雙線分開繞制，不管哪種繞法，由于繞制不緊密，線長等的差異，肯定會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，即一邊線圈產(chǎn)生的磁力線不能完全通過另一線圈，這使得L-N線之間有感應(yīng)電動勢，相當(dāng)于在L-N之間串聯(lián)了一個電感）
下圖為共模干擾測試FALL數(shù)據(jù)：
電源線纜與大地之間的寄生電容，使得共模干擾有了回路，干擾噪聲通過該電容，流向大地，在LISN-線纜-寄生電容-地之間形成共模干擾電流，從而被接收機檢測到，導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)（這也可以解釋為什么有的主板傳導(dǎo)測試時，不接地通過，一夾地線就超標(biāo)。USB模式下不接地時，電流回路只能通過L-二極管-負(fù)載-熱地-二極管-N,共模電流不能回到LISN，LISN檢測到的噪聲較小，而當(dāng)主板的冷地與大地直接相連時，線纜與大地之間有了回路，此時若共模噪聲未被前端LC濾波電路吸收的話，就會導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)）
對共模干擾的整改對策：
1. 加大共模電感感量
2. 調(diào)整L-GND，N-GND上的LC濾波器，濾掉共模噪聲
3. 主板盡可能接地，減小對地阻抗，從而減小線纜與大地的寄生電容。
2）產(chǎn)品電磁兼容騷擾源有：
1、設(shè)備開關(guān)電源的開關(guān)回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
2、設(shè)備直流電源的整流回路：工頻線性電源工頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百kHz；開關(guān)電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)十MHz。
3、電動設(shè)備直流電機的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百MHz。
4、電動設(shè)備交流電機的運行噪聲：高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
5、變頻調(diào)速電路的騷擾發(fā)射：開關(guān)調(diào)速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。
6、設(shè)備運行狀態(tài)切換的開關(guān)噪聲：由機械或電子開關(guān)動作產(chǎn)生的噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百MHz。
7、智能控制設(shè)備的晶振及數(shù)字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數(shù)百MHz。
8、微波設(shè)備的微波泄漏：騷擾源主頻數(shù)GHz。
9、電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的電磁騷擾發(fā)射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
10電視電聲接收設(shè)備的高頻調(diào)諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百MHz，高次諧波可延伸到數(shù)GHz。
11、信息技術(shù)設(shè)備及各類自動控制設(shè)備的數(shù)字處理電路：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百MHz（經(jīng)內(nèi)部倍頻主頻可達(dá)數(shù)GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。
來源：Internet
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