PCB新聞 - 電容式觸摸控制器PCB佈局指南

This application note aims to provide design layout guidance for the structure and layout of various PCBs (printed circuit boards) (such as FR4, flexible PCB or ITO panels) used in the design of S-TouchTM capacitive touch sensing.
在現時市場上可用的PCB基板中, FR4是最常用的一種. FR4是一種玻璃纖維增强環氧樹脂層壓板, PCB可以是單層或 多層PCB。

當觸摸模塊的尺寸有限時，使用單層PCB並不總是可行的，通常使用四層或兩層PCB。 我們將以最常用的兩層PCB為例介紹PCB佈局指南。

PCB設計 and layout

在裡面 a two-layer PCB, S-TouchTM觸摸控制器和其他組件佈置在 PCB板, 感測器電極設定在PCB的頂層.

每個感測器通道所需的調諧匹配電容器可以直接佈置在感測器電極的底層。 需要指出的是，S-TouchTM觸摸控制器佈置在底層，並且應確保在相應的頂層沒有佈置感測器電極。 頂層和底層的空白區域可以用網狀接地銅箔填充。

設計規則

一層（頂層）

. 感測器電極位於PCB的頂層（PCB的上端與疊加板固定）。 為了提高靈敏度，建議使用尺寸為10 x 10 mm的傳感電極。 可以使用較小尺寸的傳感電極，但靈敏度會降低。 同時，建議傳感電極的尺寸不超過15 x 15 mm。 如果傳感電極超過此尺寸，不僅會降低靈敏度，還會新增對雜訊的敏感性。

. 空白區域可以填充接地銅箔（軌跡寬度為6密耳，網格大小為30密耳）。

. 頂層可用於鋪設公共訊號軌跡（不包括感測器訊號軌跡）。 感測器訊號跡線應盡可能鋪設在底層。

. 傳感電極和接地銅箔之間的距離應至少為0.75 mm。

二樓（底部）

. S-TouchTM控制器和其他無源元件應設計並佈置在底層。

. 感測器訊號軌跡將佈置在底層。 不要將一個通道的感測器訊號軌跡佈置在其他傳感通道的傳感電極下方。

. 空白區域可以填充接地銅箔（軌跡寬度為6密耳，網格大小為30密耳）。

. 感測器訊號跡線和接地銅箔之間的距離應至少為感測器訊號跡線寬度的兩倍。

. 為了减少串擾，應盡可能新增兩個傳感電極/傳感訊號軌跡之間的距離。 在可能的情况下，在兩個傳感電極/傳感訊號跡線之間添加接地銅箔。

. 感測器訊號軌跡的長度不需要完全相同。 由於使用了匹配的調諧電容器，囙此可以平衡兩個通道之間的輸入電容。 然而，當PCB空間允許時，最好使用等長的感測器訊號跡線（感測器電極的大小也是均勻的）。 這樣，為了將所有傳感通道的感測器電容電抗值調整到控制器傳感的動態範圍內，只需要設定一個標準參攷電容器，這簡化了設計難度。

. 任何時鐘、數據或週期信號軌跡不應與感測器訊號軌跡平行或相鄰。 這些訊號線應盡可能垂直於感測器的訊號軌跡，或佈置在PCB的其他區域。

. 如果時鐘、數據或任何週期性訊號軌跡確實需要與感測器的訊號軌跡並行佈線，則應將其佈置在不同的層上，並且不能重疊，並且應盡可能縮短訊號軌跡並行部分的長度。

接地銅箔

在之前介紹的兩層FR4 PCB中，接地銅箔用於填充PCB的空白橫截面積。 接地銅箔可以幫助觸摸模塊遮罩外部雜訊源，還可以穩定感測器電路的固有電容。

然而，在使用接地銅箔時，需要提前注意幾個問題。 這是因為接地銅箔新增了感測器的固有電容，也新增了水滴導致錯誤檢測的可能性。

接地銅箔設計指南：

. 建議使用網狀接地銅箔代替實心接地銅箔。 建議使用20%網眼研磨銅箔（6密耳軌跡寬度和30密耳網眼尺寸）。 接地銅箔的角度應設定為45°。

. 感測器和接地銅箔之間的距離應至少為0.5 mm，建議為0.75 mm。

. 感測器訊號跡線和接地銅箔之間的間隙應至少為跡線寬度的兩倍。

. 對於四層PCB，如果第3層上的感測器訊號跡線大於10 cm，為了最小化長跡線的電容負載，建議不要在底層鋪設接地銅箔。

. 如果包層板使用了一些導電資料，建議不要在頂層鋪設接地銅箔。

. 如果電容傳感系統需要在潮濕環境中工作，建議不要在頂層鋪設接地銅箔。

感測器基本功能說明和指南

電容感測器電極是指用於量測手指電容的導電電極板。 它連接到S-TouchTM控制器感應通道的輸入端子。 感測器電極可以製成各種幾何形狀和尺寸，以具有不同的功能和應用。

觸摸按鈕

觸摸按鈕的基本功能是檢測是否有手指觸摸它。 S-TouchTM控制器可以量測觸摸按鈕感應電極的電容。 如果手指相對靠近觸摸按鈕，當量測的電容變化超過預設閾值時，將檢測到手指觸摸的發生。

觸摸按鈕可以設計成各種形狀，如正方形、圓形、3角形或其他形狀。 如果PCB的尺寸有限，則應將按鈕形狀設計為最大限度地利用空間，以提供最佳靈敏度。

對於覆蓋2-3 mm丙烯酸塑膠外殼的應用，建議使用最小尺寸為10 x 10 mm的方形傳感電極。 建議最大尺寸不超過15 x 15 mm。 如果超過這個尺寸，不僅靈敏度無法提高，而且雜訊敏感性也會新增。

觸摸滑塊

觸摸滑塊的基本功能是檢測手指在一維方向上的滑動位置。

觸摸滑塊的典型應用之一是音量控制。 可以使用兩種方法來實現觸摸滑塊：觸摸狀態滑塊和比率錶滑塊。

方形觸摸按鈕按順序緊密排列，可設計為觸摸狀態滑杆。

當檢測到某個感測器通道打開時，可以確定手指在觸摸滑塊上的位置。 在上述示例中，5個感測器用於檢測9個位置。 如果S1和S2通道同時打開，則表示手指的位置位於位置2。

對於覆蓋2-3 mm丙烯酸塑膠外殼的應用，建議使用最小尺寸為10 x 10 mm的感測器電極。 滑塊感測器之間的建議間隙值為0.75 mm。 兩個相鄰傳感電極之間的間隙不應超過1 mm。 這是為了確保當手指正好位於間隙中時，可以同時打開兩個感測器通道。

觸摸狀態滑塊的優點是設計簡單，在嘈雜環境中穩定性高。 然而，如果需要大量位置，由於需要太多感測器通道，囙此無法實現該方法。

另一種方法是使用比例計量滑塊。 該方法不是通過檢測每個感測器通道上的觸摸狀態來實現的，而是通過基於每個感測器通道量測的電容的精確變化來確定手指的位置。 當量測每個傳感通道的精確電容變化時，通過計算比率來確定手指的精確位置。

手指觸摸上述位置將導致3個感應通道電極的電容新增。 由於手指覆蓋的面積不同，每個感測器新增的電容值也不同。 然後，通過處理感測器的原始電容數據，可以獲得手指在滑塊上的絕對位置。

觸摸微調器

與滑杆一樣，觸摸旋轉器也基於觸摸狀態和比率測量方法實現。

應用觸摸狀態方法的微調器通過檢查每個傳感通道的狀態來確定手指的位置。 旋轉器使用比例測量方法，通過量測由於手指觸摸而新增的每個傳感通道的精確電容來確定手指的位置。 當手指在旋轉器上滾動時，會導致多個感應通道的電容新增。 然後，通過計算這些傳感通道新增的電容值，可以計算手指觸摸的準確位置。

用於手指觸摸檢測的觸摸旋轉器的穩定性取決於所需的分辯率和傳感通道的數量。 對於高解析度觸摸旋轉器，可能需要使用更多的感應通道，而不是僅使用3個感應通道。

其他注意事項

遵循以下基本設計指南 PCB設計 佈局可以使電容傳感應用更加可靠. In PCB設計, 應考慮其他重要因素, 包括：

. 這個re is no floating plate/上的極板 PCB板. PCB的空白區域可以用接地銅箔填充，也可以留空白.

. PCB的設計應確保所需的參攷電容值小於20 pF（參攷電容值在硬體調整期間確定），每個通道的固有電容應小於10 pF。 如果大於該值，則需要修改一些基本佈局，例如降低接地銅箔的密度，擴大傳感輸入軌跡/電極與接地銅箔之間的距離，减小感測器訊號軌跡的寬度，甚至移除接地銅箔。 如果傳感輸入電容的最大值超過10 pF，則需要使用調諧電容器進行匹配設定。

. 嘗試將每個傳感通道之間的固有電容差控制在10 pF以內（可以在硬體調整期間量測該差）。 如果超過10 pF，則有必要减少軌跡長度和感測器電極尺寸之間的不匹配，以重新佈局，以最小化差异。

. 在I2C SDA和SCL線路中安裝串聯電阻器，以過濾連接主機板和觸摸模塊的線束引起的雜訊干擾，或可能導致I2C訊號失真的電源雜訊干擾。