電容式觸摸按鍵IC設(shè)計(jì)方法與注意事項(xiàng)

電容式觸摸按鍵IC工作原理：任何兩個(gè)導(dǎo)電的物體之間都存在著感應(yīng)電容，一個(gè)按鍵即一個(gè)焊盤(pán)與大地也可構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變化的情況下，該感應(yīng)電容值是固定不變的微小值。當(dāng)有人體手指靠近觸摸按鍵時(shí)，人體手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)焊盤(pán)與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容，會(huì)使總感應(yīng)電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測(cè)到某個(gè)按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，將輸出某個(gè)按鍵被按下的確定信號(hào)。電容式觸摸按鍵因?yàn)闆](méi)有機(jī)械構(gòu)造，所有的檢測(cè)都是電量的微小變化，所以對(duì)各種干擾敏感得多，觸摸按鍵設(shè)計(jì)、觸摸面板的設(shè)計(jì)以及觸摸IC的選擇都十分關(guān)鍵。這里華強(qiáng)北IC代購(gòu)網(wǎng)為大家介紹電容式觸摸按鍵IC的設(shè)計(jì)方法與注意事項(xiàng)。

一、觸摸按鍵設(shè)計(jì)

1.觸摸PAD材料

觸摸PAD可以用PCB銅箔、金屬片、平頂圓柱彈簧、導(dǎo)電棉、導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電玻璃的ITO層等。不管使用什么材料，按鍵感應(yīng)盤(pán)必須緊密貼在面板上，中間不能有空氣間隙。

當(dāng)用平頂圓柱彈簧時(shí)，觸摸線和彈簧連接處的PCB，鏤空鋪地的直徑應(yīng)該稍大于彈簧的直徑，保證彈簧即使被壓縮到PCB板上，也不會(huì)接觸到鋪地。

2.觸摸PAD形狀

原則上可以做成任意形狀，中間可留孔或鏤空。我們推薦做成邊緣圓滑的形狀，可以避免尖端放電效應(yīng)。一般應(yīng)用圓形和正方形較常見(jiàn)。

3.觸摸PAD面積大小

按鍵感應(yīng)盤(pán)面積大?。鹤钚?mm&TImes;4mm，最大30mm&TImes;30mm。實(shí)際面積大小根據(jù)靈敏度的需求而定，面積大小和靈敏度成正比。一般來(lái)說(shuō)，按鍵感應(yīng)盤(pán)的直徑要大于面板厚度的4倍，并且增大電極的尺寸，可以提高信噪比。各個(gè)感應(yīng)盤(pán)的形狀、面積應(yīng)該相同，以保證靈敏度一致。通常，在絕大多數(shù)應(yīng)用里，12mm&TImes;12mm是個(gè)典型值。

4.觸摸PAD之間距離

各個(gè)觸摸PAD間的距離要盡可能的大一些(大于5mm)，這樣可以減少它們形成的電場(chǎng)之間的相互干擾。當(dāng)用PCB銅箔做觸摸PAD時(shí)，若觸摸PAD間距離較近(5mm～10mm)，觸摸PAD必須用鋪地隔離，參考圖1。如果各個(gè)觸摸PAD距離較遠(yuǎn)，也應(yīng)該盡可能的鋪地隔離。適當(dāng)拉大各觸摸PAD間的距離，對(duì)提高觸摸靈敏度有一定幫助。

二、觸摸面板的選擇

1.觸摸面板材料

面板必須選用絕緣材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯(pvc)、尼龍、樹(shù)脂玻璃等，按鍵正上方1mm以內(nèi)不能有金屬，觸摸按鍵50mm以內(nèi)的金屬必須接地，否則，金屬會(huì)影響案件的靈敏度。在生產(chǎn)過(guò)程中，要保持面板的材質(zhì)和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料。

2.觸摸面板厚度

通常面板厚度設(shè)置在0～10mm之間。不同的材料對(duì)應(yīng)著不同的典型厚度，例如亞克力材料一般設(shè)置在2mm～4mm之間，普通玻璃材料一般設(shè)置在3mm～6mm之間。

3.雙面膠

觸摸按鍵PCB與觸摸面板通過(guò)雙面膠粘接，雙面膠的厚度取0.1～0.15mm比較合適，推薦采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB與面板之間沒(méi)有空氣，因?yàn)榭諝獾慕殡娤禂?shù)為1，與面板的介電系數(shù)差異較大。空氣會(huì)對(duì)觸摸按鍵的靈敏度影響很大。所以雙面膠與面板，雙面膠與PCB粘接，都是觸摸按鍵生產(chǎn)裝配中的關(guān)鍵工序，必須保證質(zhì)量。

PCB與雙面板粘接，PCB帶雙面膠與面板裝配時(shí)都要用定位夾具完成裝配，(http://www.dgzj.com/ 版權(quán)所有)裝配完成后，要人工或用夾具壓緊。為了保證PCB板與面板之間沒(méi)有空氣，需要在雙面板上開(kāi)孔和排氣槽，并且與PCB上開(kāi)孔配合。設(shè)計(jì)夾緊夾具時(shí)，重點(diǎn)壓觸摸按鍵的部位，確保感應(yīng)部位沒(méi)有空氣。

三、電容式觸摸按鍵IC的選擇與應(yīng)用

目前，世界知名電子元器件供應(yīng)商均加大了對(duì)電容式觸摸按鍵IC的應(yīng)用研究，并推出了眾多的專業(yè)芯片(本文簡(jiǎn)稱觸摸芯片)，也有眾多基于MCU集成類的IC，設(shè)計(jì)人員選擇空間較大，可以根據(jù)功能的需求和芯片的性價(jià)比來(lái)選擇適合設(shè)計(jì)需要的IC，也可以自己設(shè)計(jì)基于MCU的A/D口實(shí)現(xiàn)觸摸IC，本文選用12按鍵帶自校正功能的容性觸摸感應(yīng)器SC12A。

SC12A是帶自校正的容性觸摸感應(yīng)器，可以檢測(cè)12個(gè)感應(yīng)盤(pán)是否被觸摸。它可以通過(guò)任何非導(dǎo)電介質(zhì)(如玻璃和塑料)來(lái)感應(yīng)電容變化，這種電容感應(yīng)的開(kāi)關(guān)可以應(yīng)用在很多電子產(chǎn)品上。

1.特征

12個(gè)完全獨(dú)立的觸摸感應(yīng)按鍵;保持自動(dòng)校正，無(wú)需外部干預(yù);按鍵輸出經(jīng)過(guò)完全消抖處理;多接口-I2C串行接口/BCD碼輸出;所有按鍵共用一個(gè)靈敏度電容。

2.管腳

3.芯片功能

(1)初始化時(shí)間：上電復(fù)位后，芯片需要300ms進(jìn)行初始化，計(jì)算感應(yīng)管腳的環(huán)境電容，然后才能正常工作。

(2)靈敏度：由CDC端口接的電容值決定。數(shù)值越小，靈敏度越高。

(3)自校正：根據(jù)外部環(huán)境溫度和濕度等的漂移，芯片會(huì)一直調(diào)整每個(gè)按鍵的電容基準(zhǔn)參考值。從檢測(cè)到按鍵開(kāi)始，芯片會(huì)停止校正一段時(shí)間，這段時(shí)間大約15～50秒。然后芯片會(huì)繼續(xù)自校正，也就是說(shuō)檢測(cè)按鍵有效的時(shí)間不會(huì)超過(guò)15～50秒。

(4)觸摸反應(yīng)時(shí)間：每個(gè)通道大約每隔12.5ms采樣一次。經(jīng)過(guò)按鍵消抖處理以后，檢測(cè)到按鍵按下的反應(yīng)時(shí)間大概是68毫秒，檢測(cè)按鍵離開(kāi)的反應(yīng)時(shí)間大概是44毫秒。所以檢測(cè)按鍵的最快頻率大概是每秒9次。

(5)BCD碼輸出：SC12A可以檢測(cè)多個(gè)按鍵同時(shí)有效。但是如果使用BCD碼輸出，就不能同時(shí)輸出多個(gè)按鍵值。無(wú)按鍵時(shí)，BCD[3:0]輸出為F。按鍵優(yōu)先級(jí)由CIN0到CIN11依次降低。

4.應(yīng)用電路(如圖1所示)

電容降壓原理

電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。

當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA，但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，應(yīng)為如果電容是一個(gè)理想電容，則流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率。

根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們?nèi)绻谝粋€(gè)1uF的電容器上再串聯(lián)一個(gè)阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個(gè)阻性元件的特性。

例如，我們將一個(gè)110V/8W的燈泡與一個(gè)1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點(diǎn)亮，發(fā)出正常的亮度而不會(huì)被燒毀。因?yàn)?10V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。

同理，我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯(lián)接到220V/50Hz的交流電上，燈泡同樣會(huì)被點(diǎn)亮，而不會(huì)被燒毀。因?yàn)?W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。

因此，電容降壓實(shí)際上是利用容抗限流。而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。

下圖為阻容降壓的典型應(yīng)用，C1為降壓電容，R1為斷開(kāi)電源時(shí)C1的泄放電阻，D1為半波整流二極管，D2在市電的負(fù)半周為C1提供放電回路，否則電容C1充滿電就不工作了，Z1為穩(wěn)壓二極管，C2為濾波電容。輸出為穩(wěn)壓二極管Z1的穩(wěn)定電壓值。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以用下圖代替上圖，這里用了Z1正向特性和反向特性，其反向特性(也就是其穩(wěn)壓特性)來(lái)穩(wěn)定電壓，其正向特性用來(lái)在市電負(fù)半周給C1提供放電回路。

在較大的電流應(yīng)用中，可以用全波整流，如下圖：

在小電壓全波整流輸出時(shí)，最大輸出電流即為：

容抗：Xc=1/(2πfC)

電流：Ic = U/Xc=2πfCU

采用電容降壓時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負(fù)載的電壓和功率。

2、限流電容必須采用無(wú)極性電容，絕對(duì)不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。最理想的電容為鐵殼油浸電容。

3、電容降壓不能用于大功率條件，因?yàn)椴话踩?/p>

4、電容降壓不適合動(dòng)態(tài)負(fù)載條件。

5、同樣，電容降壓不適合容性和感性負(fù)載。

6、當(dāng)需要直流工作時(shí)，盡量采用半波整流。不建議采用橋式整流。而且要滿足恒定負(fù)載的條件。

器件選擇

1.電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先測(cè)定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來(lái)選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^(guò)降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)際上是流過(guò)C1的充放電電流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)C1的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí)，多余的電流就會(huì)流過(guò)穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。

2.為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。

3.泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

設(shè)計(jì)舉例

已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負(fù)載的最大電流。 C1在電路中的容抗Xc為：

Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K

流過(guò)電容器C1的充電電流(Ic)為：

Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5 I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應(yīng)用上要特別注意隔離，防止觸電。