0 引言

触摸屏是目前最简单、方便和直接的一种人机交互方式。触摸屏的应用非常广阔,汽车娱乐系统目前也普遍使用了触摸屏,触摸屏的应用给驾驶者带来了良好的用户体验,同时也对汽车娱乐系统的 EMC 设计带来了挑战。

 

触摸屏根据感应原理可分为电阻式、电容式、声波式和光学式等。目前,电容式触摸屏凭借其高灵敏度、多点触摸和寿命长等特点,已成为汽车娱乐系统市场的主流。本文主要对电容触摸屏进行介绍和 EMC 设计分析。

 

1 电容触摸屏简介

当手指触摸在触摸屏上时,手指和触摸屏表面形成一个耦合电容,耦合电容对于触摸屏表面的持续扫描脉冲信号是导体,于是手指吸收走一部分的电流,控制器通过对变化电流比例的计算得出触摸点的位置。图 1 所示为电容式触摸屏的工作原理示意图。

图 1 电容触摸屏工作原理

 

触摸屏的水平和垂直方向分布着若干根“X Line”和“Y Line”,X Line 会发射 100kHz 至 300kHz 的脉冲信号,Y Line 会接收到 X Line 耦合过来的信号。如果没有手指触摸,整个触摸屏范围内的 Y Line 检测的电流值是一定的,如果有手指触摸,则 Y Line 上耦合到的信号会因为连接了手指产生的耦合电容而会发生明显变化。

 

2 电容触摸屏的 EMC 设计

如上节所述,电容触摸屏检测用的脉冲信号频率在 100kHz 至 300kHz 之间,汽车电子 EMC 测试标准中的 RE(Radiated Emission)和 BCI(Bulk Current Injection)测试都覆盖了这个频段,如果处理不当将很容易导致 RE 测试结果超标和 BCI 测试时触摸屏误触发。另外,由于电容触摸屏在汽车电子 EMC 测试中需要经受多次±25kV 静电放电测试,所以如果相关防护设计不够理想,会容易导致触摸屏损坏或者触摸屏驱动 IC 失效的问题。

 

2.1 电容触摸屏 RE 问题及解决措施

RE 测试是衡量被试品通过空间辐射对其他设备的干扰能力。汽车电子的 RE 测试频率一般从 100kHz 开始,所以在低频段会测出电容触摸屏的检测信号。在笔者一个项目的第一次摸底时发现在低频段严重超标,如图 2 红色曲线所示。

 

通过排除法定位了骚扰源头来自电容触摸屏检测用的脉冲信号,而此脉冲信号各参数完全是由触摸屏控制器控制,要有效降低辐射值必须通过修改触摸屏控制器的软件设置来修改脉冲信号的参数。在不影响触摸屏报点各项性能的前提下以下措施的应用通过实验验证会明显降低脉冲信号导致的电磁辐射。

 

(1)降低脉冲信号的电压和电流。

触摸屏在满足充电时间时可以降低输出脉冲信号的电压和电流。

 

(2)脉冲上升沿设置为缓慢上升。

触摸屏控制器为了缩短大尺寸触摸屏屏充电时间从而提高报点率一般都会将脉冲上升沿配置为快速上升,即上升沿在 100ns 左右。而对于汽车电子产品,报点率不会要求太高的情况下可以将斜率改为缓慢上升,即上升沿在 500ns 左右。

 

(3)在触摸屏无触摸动作 10 秒后工作模式从 Active 转为 Idle。

所谓 Active 模式是指控制器连续发出脉冲信号,Idle 模式是指控制器间隔一段时间发出脉冲信号。这样测试时天线在单个频点单位时间内检测到的能量就少了很多。

 

(4)增大脉冲间隔时间和减少脉冲个数。

增大脉冲间隔时间和减少脉冲个数同样可以降低天线在单个频点单位时间内检测到的能量。

 

其中措施(1)和(2)会降低测试的峰值,措施(3)和(4)会降低测试的平均值和准峰值。

汽车电子触摸屏 EMC 设计

 

图 2 音响娱乐系统某产品整改前后单极天线测试结果对比

 

图 2 蓝色曲线是使用了触摸屏新配置软件后的测试结果。可以看出在低频段不但不再超标而且有了足够的余量。

 

2.2 电容触摸屏 BCI 问题及解决措施

BCI 是用来衡量各车载设备抵御耦合到线束上的射频干扰信号的能力,是汽车电子产品常用的一种抗干扰型式试验方法。一般测试的频率范围是 100kHz 至 400MHz。笔者一个项目在做 BCI 测试时发现在 130kHz 左右出现触摸屏误触发的现象。根据触摸屏的脉冲工作频率,判定触摸屏受到了 BCI 的同频干扰。这个问题同样需要通过修改触摸屏控制器的软件设置来修改脉冲信号的参数。

 

BCI 测试时触摸屏的整体噪声会明显加大,加大到一定程度后将会影响触摸屏报点的正确性,触摸屏在检测到时整体噪声即将到影响正确报点时一般有下面两种做法:

 

(1)屏蔽触摸屏所有的报点;

 

(2)采用跳频形式避开干扰点。

 

对于 EMC 测试,因为测试频率范围很宽,所以一般采用第(1)种方法,而如果噪声是来自产品本身且有固定的频率(如开关电源)可以采用第(2)种办法。

 

另外,不同的客户对 BCI 的测试方法和要求不完全一样,有些客户要求在 BCI 测试时同时有模拟手在不断触摸屏幕,同时不能有误报点。这种测试要求下必须采用上述的第(2)种方法。当客户没有此要求时可以采用第(1)种方法,相比第(2)种方法第(1)种方法更容易实现且效果更加明显。

 

2.3 电容触摸屏 ESD 设计

ESD 是触摸屏 EMC 设计中最需要重点考虑的,因为一旦 ESD 失效,光靠像上述 RE 和 BCI 那样修改触摸屏控制器的软件可能不能彻底解决问题,还需要原理图、PCB 和结构等共同配合解决,这些修改不但会影响项目的进度而且会增加 BOM 成本。所以这里列出相关设计经验供大家参考。

 

(1)确定触摸屏玻璃厚度时需要参考最高测试电压等级。确保 ESD 不会击穿玻璃将触摸屏传感器打坏。

 

(2)触摸屏传感器的 ITO“桥”在不影响透光率的前提下尽量做粗。ITO“桥”是传感器最薄弱而容易被 ESD 打坏的地方,将“桥”做粗可以通过更大的 ESD 电流从而降低烧坏的概率。

 

(3)触摸屏边缘的地线尽量做粗。ESD 容易对触摸屏边缘的保护地线放电,如果地线较细不能给 ESD 提供低阻抗的泄放回路,将会引起 ESD 流过传感器。

 

(4)对于 COF(Chip On FPC)的触摸屏需要将控制器芯片的地与系统的地良好且可靠接触。对于 COB(Chip On Board)的触摸屏需要将控制器芯片下面设置成完整的地平面并和系统地低阻抗连接。

 

(5)触摸屏控制器的软件需要设置屏蔽“大手指”的报点输出。ESD 对触摸屏放电时,会引起触摸屏表面较大面积的电荷变化,反馈到控制器就像一个很大的手指按上了一样,软件设置成屏蔽“大手指”后可以有效解决触摸屏误报点的问题。

 

(6)原理图设计时需要在触摸屏与系统的接口处预留 TVS 等 ESD 保护措施。

 

(7)PCB layout 时需要将触摸屏与系统的通讯走线做包地处理,提高其抗干扰能力。

 

3 结束语

本文是基于汽车电子项目得出的触摸屏 EMC 设计经验,因为汽车电子的 EMC 标准相比其他类产品标准要严,所以对于其他类含触摸屏产品 EMC 设计时也可以参考本文的设计。