汽車電子觸摸屏EMC設計

延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司 付 裕

?

汽車電子觸摸屏EMC設計

延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司 付 裕

【摘要】介紹了電容觸摸屏工作原理和電容觸摸屏在汽車電子電磁兼容測試時發現的RE、BCI和ESD問題，并列出這些測試對應的電容觸摸屏設計規則。

【關鍵詞】汽車電子；觸摸屏；電磁兼容

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。觸摸屏的應用非常廣闊，汽車娛樂系統目前也普遍使用了觸摸屏，觸摸屏的應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的EMC設計帶來了挑戰。

觸摸屏根據感應原理可分為電阻式、電容式、聲波式和光學式等。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市場的主流。本文主要對電容觸摸屏進行介紹和EMC設計分析。

1　電容觸摸屏簡介

當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掃描脈沖信號是導體，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。圖1所示為電容式觸摸屏的工作原理示意圖。

圖1　電容觸摸屏工作原理

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生的耦合電容而會發生明顯變化。

2　電容觸摸屏的EMC設計

如上節所述，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測試標準中的RE(Radiated Emission)和BCI(Bulk Current Injection)測試都覆蓋了這個頻段，如果處理不當將很容易導致RE測試結果超標和BCI測試時觸摸屏誤觸發。另外，由于電容觸摸屏在汽車電子EMC測試中需要經受多次±25kV靜電放電測試，所以如果相關防護設計不夠理想，會容易導致觸摸屏損壞或者觸摸屏驅動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現在低頻段嚴重超標，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置來修改脈沖信號的參數。在不影響觸摸屏報點各項性能的前提下以下措施的應用通過實驗驗證會明顯降低脈沖信號導致的電磁輻射。

（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轉為Idle。

所謂Active模式是指控制器連續發出脈沖信號，Idle模式是指控制器間隔一段時間發出脈沖信號。這樣測試時天線在單個頻點單位時間內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。

增大脈沖間隔時間和減少脈沖個數同樣可以降低天線在單個頻點單位時間內檢測到的能量。

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峰值。

圖2　音響娛樂系統某產品整改前后單極天線測試結果對比

圖2藍色曲線是使用了觸摸屏新配置軟件后的測試結果?？梢钥闯鲈诘皖l段不但不再超標而且有了足夠的余量。

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測試時發現在130kHz左右出現觸摸屏誤觸發的現象。根據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置來修改脈沖信號的參數。

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品本身且有固定的頻率（如開關電源）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）種方法更容易實現且效果更加明顯。

2.3電容觸摸屏ESD設計

ESD是觸摸屏EMC設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和結構等共同配合解決，這些修改不但會影響項目的進度而且會增加BOM成本。所以這里列出相關設計經驗供大家參考。

（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置成完整的地平面并和系統地低阻抗連接。

（5）觸摸屏控制器的軟件需要設置屏蔽“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）原理圖設計時需要在觸摸屏與系統的接口處預留TVS等ESD保護措施。

（7）PCB layout時需要將觸摸屏與系統的通訊走線做包地處理，提高其抗干擾能力。

3　結束語

本文是基于汽車電子項目得出的觸摸屏EMC設計經驗，因為汽車電子的EMC標準相比其他類產品標準要嚴，所以對于其他類含觸摸屏產品EMC設計時也可以參考本文的設計。