電容式觸摸屏抗差模與共模噪聲解決方案

黃浩泓，黃世興

（汕頭超聲顯示器（二廠）有限公司，汕頭 515065）

電容式觸摸屏相對(duì)于傳統(tǒng)的電阻式觸摸屏和機(jī)械按鍵/旋鈕，具有良好的操作和感官體驗(yàn)，且有較長(zhǎng)的使用壽命，越來越多的被人們所接受。并從手機(jī)，筆電等消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用，逐步延伸到車載，家電甚至工業(yè)應(yīng)用上。但在電容式觸摸屏的設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，常遇到差模噪聲干擾和共模噪聲干擾，導(dǎo)致電容式觸摸屏出現(xiàn)亂報(bào)點(diǎn)，報(bào)點(diǎn)坐標(biāo)偏移，不報(bào)點(diǎn)等異常。要解決此類噪聲干擾問題，必須進(jìn)行噪聲類別的區(qū)分并分類進(jìn)行檢測(cè)量化和改善。

1 區(qū)分與判斷方法

差模噪聲干擾（Differential-mode Interference）的特點(diǎn)是噪聲在兩個(gè)載流導(dǎo)線之間形成回路傳輸，沒有途徑不會(huì)泄露到地線上。兩個(gè)載流導(dǎo)線之間存在電壓差。差模噪聲干擾一般可歸類為電源紋波，幅度?。╩V級(jí)別）、頻率低、所造成的干擾影響一般較小；對(duì)于電容式觸摸屏應(yīng)用來說，差模噪聲干擾一般出現(xiàn)在當(dāng)整機(jī)充電且插頭采用兩芯交流插頭沒有接地，整機(jī)主板地和機(jī)殼也沒有接地點(diǎn)，整機(jī)處于地懸空狀態(tài)，此時(shí)人體不去觸碰整機(jī)時(shí)，開關(guān)電源的直流電源輸出線與直流地輸出線上就會(huì)形成回路，有電源差模噪聲存在。此類噪聲既有交流市電網(wǎng)上的噪聲也有充電器電路本身的噪聲。此時(shí)如果噪聲超過了電容式觸摸屏可適應(yīng)的工作范圍，就會(huì)出現(xiàn)直接亂報(bào)點(diǎn)現(xiàn)象。如設(shè)備充電時(shí)的亂報(bào)點(diǎn)異常就屬于此種類型。

共模噪聲干擾（Common-mode Interference）的特點(diǎn)是噪聲在載流導(dǎo)線與參考大地之間傳輸。如在整機(jī)充電插頭接地與大地共地，交流市電網(wǎng)上的噪聲和充電器電路本身的噪聲以及LCD掃描噪聲均存在共模噪聲分量。共模噪聲干擾幅度大，峰峰值可達(dá)到幾十伏、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，它是EMC干擾中最為常見且危害較大的干擾。

對(duì)于電容式觸摸屏來說，當(dāng)共模噪聲超過可適應(yīng)的工作范圍時(shí)，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備不充電進(jìn)行手指觸碰操作或設(shè)備充電而手不觸碰電容屏?xí)r工作正常并不會(huì)有亂報(bào)點(diǎn)現(xiàn)象。而把充電狀態(tài)的設(shè)備放置于絕緣非金屬臺(tái)面上，僅手觸碰觸摸屏表面操作，人體的其他部位不接觸整機(jī)設(shè)備，此時(shí)亂報(bào)點(diǎn)現(xiàn)象或不響應(yīng)報(bào)點(diǎn)的異?，F(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。而此時(shí)如果用人體其他部位去接觸整機(jī)設(shè)備的金屬外殼部位，會(huì)發(fā)現(xiàn)異常報(bào)點(diǎn)現(xiàn)象明顯有所改善甚至變好了。如果符合如上判斷現(xiàn)象，就可以判斷共模噪聲已經(jīng)超過了合理的工作范圍，需要加以抑制和改善。

2 量化測(cè)量方法

要測(cè)試差模和共模干擾噪聲，可以采用時(shí)域及頻域兩種方法進(jìn)行測(cè)量。

（1）時(shí)域測(cè)量使用示波器進(jìn)行測(cè)量，可以較清楚地看出干擾信號(hào)的波形，直接讀取信號(hào)的幅度及周期。測(cè)試的時(shí)候要把充電器接上設(shè)備，用示波器的探頭的正極與待測(cè)設(shè)備的直流地輸出線相連；探頭的負(fù)極不要和待測(cè)設(shè)備相連，可以和示波器的大地相連.這樣就可以測(cè)量共模噪聲了，測(cè)試時(shí)示波器設(shè)置為檢測(cè)交流信號(hào)。如果要測(cè)量差模噪聲信號(hào)，可以再測(cè)量直流電源輸出線，兩個(gè)進(jìn)行相減即是差模噪聲分量。

（2）頻域測(cè)量采用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，可以較清楚地看出共模干擾信號(hào)中所蘊(yùn)含的頻譜分量，直接讀取每個(gè)頻率點(diǎn)的信號(hào)分量強(qiáng)度。測(cè)試的時(shí)候要把充電器接上設(shè)備，使用靈敏度較高的有源近場(chǎng)探頭，測(cè)試時(shí)將探頭緊貼電容式觸摸屏的表面（注意一定要關(guān)閉LCD顯示，否則LCD噪聲也將會(huì)耦合進(jìn)探頭），同時(shí)將頻譜分析儀的參考地與主機(jī)系統(tǒng)的參考地連接.并設(shè)置頻譜掃描范圍，一般是0～20MHZ的范圍內(nèi)全頻帶粗掃描，得到充電器的干擾頻點(diǎn)分布、整體噪聲水平等情況，然后再設(shè)置具體頻率段進(jìn)行細(xì)掃描，這樣就可以測(cè)量共模噪聲了。

3 整改方案

要提高電容式觸摸屏的抗差模噪聲和共模噪聲的抗擾度能力，可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行著手改善：

第一，重點(diǎn)優(yōu)化電源系統(tǒng)及增加電源濾波器和差模抑制網(wǎng)絡(luò)或LDO。

第二，電容式觸摸屏軟硬件設(shè)計(jì)。

（1）對(duì)于電源系統(tǒng)來說，需要盡量與大地共地，并增加共模濾波器進(jìn)行共模和差模濾波，增阿基高性能線性LDO進(jìn)行差模濾波。

共模濾波器最重要的部分是共模扼流圈，也叫共模電感（Commonmode Choke），與差模扼流圈相比，共模電感的顯著優(yōu)點(diǎn)是電感值極高，且體積小，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)是它的漏感，也就是差模電感。共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號(hào)線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。在濾波器的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該測(cè)量共模噪聲并將其濾除掉，然后采用差模抑制網(wǎng)絡(luò)或高性能線性LDO將差模成分消除。高性能線性LDO具有較高的電源抑制比PSRR和較低的自身輸出噪聲Output Noise，可以有效的抑制甚至消除差模成分。

（2）電容式觸摸屏軟硬件設(shè)計(jì)

首先需要做好硬件電路濾波設(shè)計(jì)，合理增加和布局磁珠，LDO，濾波電容均是必須的設(shè)計(jì)。然后需要增加TX信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，這個(gè)可以通過增加電容式觸摸屏IC的TX倍壓或選擇帶更高倍壓能力的觸摸屏IC，以及減小電容式觸摸屏的走線線阻來實(shí)現(xiàn)。然后根據(jù)時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量結(jié)果進(jìn)行軟件算法上的優(yōu)化。

4 結(jié)束語

差模噪聲與共模噪聲干擾對(duì)于電容式觸摸屏來說非常常見，是整機(jī)及觸摸屏模組設(shè)計(jì)能力，經(jīng)驗(yàn)以及電容式觸摸屏IC抗噪能力的綜合體現(xiàn)。需要根據(jù)具體項(xiàng)目具體分析和綜合改善，并在設(shè)計(jì)研發(fā)階段進(jìn)行解決，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)要求。