觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)的PCB圖形

為了獲得“開(kāi)關(guān)電容PCB圖形”，下圖給出了觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)的12種PCB設(shè)計(jì)圖形。這些感應(yīng)開(kāi)關(guān)具有不同的形狀與尺寸，我們將其排列成三列（A～C）、四行（1～4），其中A列與C列的尺寸是20mmX20mm，B列的尺寸是15mmX15mm。

A列與B列具有不同的尺寸，但是走線和距離是相同的；B列與C列也具有不同的尺寸，但是它們的走線和間隔是按比例增加的。下表給出了不同尺寸與不同形狀的PCB圖形具有不同的感應(yīng)電容值。對(duì)于觸摸感應(yīng)式開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的開(kāi)關(guān)應(yīng)具有好的靈敏性和高的感應(yīng)電容值，因?yàn)檫@樣可將走線的寄生電容與電感的影響降到最低，對(duì)開(kāi)關(guān)的影響最小。

比較下圖與下表中數(shù)據(jù)可知，A列與C列的PCB圖尺寸相同，但電容量卻不同，這是因?yàn)樵贏列與C列的PCB圖形中，在相同的20mm×20mm外框包圍中其內(nèi)部的走線密度不同所致。比較A列與B列可知，其感應(yīng)電容量不同是由于其尺寸不同所致。

在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)電容時(shí)需要考慮兩個(gè)主要因素，一個(gè)是開(kāi)關(guān)電容的尺寸，另一個(gè)是其形狀，當(dāng)然與觸摸開(kāi)關(guān)上面連接的材料特性與厚度也有關(guān)系。

不同材料的影響

在許多產(chǎn)品中，PCB上的開(kāi)關(guān)不能直接被使用者觸摸到。從美觀與對(duì)電路板的保護(hù)角度考慮，通常在PCB與使用者之間會(huì)隔著一層塑料或玻璃制品。

下表給出了在感應(yīng)開(kāi)關(guān)與使用手指之間采用不同材料、不同厚度對(duì)感應(yīng)電容影響的百分比。

從下表中可知，在PCB與用戶手指之間放置不同材料，對(duì)感應(yīng)電容影響效果是明顯的，因此在設(shè)計(jì)該類產(chǎn)品時(shí)，我們可以按照下面的設(shè)計(jì)規(guī)則。

（1）開(kāi)關(guān)圖形的設(shè)計(jì)。無(wú)論在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)，上圖中的第4行、第4列展示出最好的電容特性，不但圖形設(shè)計(jì)容易，而且開(kāi)關(guān)特性安全可靠。

（2）為了使PCB與手指間的感應(yīng)電容改變最小，需要使用最薄的材料。

（3）為了使觸摸開(kāi)關(guān)具有絕對(duì)的電容量，所使用的材料需要具有更高的介電常數(shù)。

相對(duì)于在開(kāi)關(guān)與其他電容之間的更高電容值，例如，走線或其他電容，在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)時(shí)，MCU能直接檢測(cè)到電容量的改變。

走線長(zhǎng)度

另外一個(gè)重要因素是連接在觸摸開(kāi)關(guān)與MCU之間走線的長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)關(guān)的影響作用。

走線越長(zhǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)的寄生電容效用越明顯，過(guò)大的寄生電容會(huì)使開(kāi)關(guān)不能正常工作。如果寄生電容太大，當(dāng)手指與觸摸開(kāi)關(guān)接觸時(shí)，過(guò)大的寄生電容使MCU不能檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化。通常，根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)圖形與所用的材料不同，觸摸開(kāi)關(guān)感應(yīng)電容一般控制在2～15pF之間是比較合理的。

在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)比較安全的準(zhǔn)則是感應(yīng)電容量改變0.5%時(shí)，MCU能檢測(cè)到。必須仔細(xì)檢查觸摸開(kāi)關(guān)PCB圖形與走線，將感應(yīng)電容設(shè)計(jì)到最小，因此，當(dāng)手指碰觸時(shí)典型的電容改變量控制在總電容量的0.5%。

供電電壓VDD的影響

另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮的因素是MCUVDD電壓源。VDD電壓的穩(wěn)定與否，與MCU的安全可靠檢測(cè)緊密相關(guān)。因?yàn)樵撾妷褐苯佑绊懥擞|摸感應(yīng)電容的充電與放電開(kāi)關(guān)特性，因此在觸摸感應(yīng)控制IC的VDD與Vss（地）之間必須設(shè)置旁路電容，同時(shí)前級(jí)最好用三端穩(wěn)壓器供電，供電電源走線必須短而粗，切忌設(shè)計(jì)成細(xì)而長(zhǎng)且繞圈子的形式。

觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

基于上述2、3點(diǎn)測(cè)試與設(shè)計(jì)限制的結(jié)論，在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)要考慮使用許多通用材料，例如玻璃、樹(shù)脂塑料和ABS塑料等，為了實(shí)現(xiàn)有效控制和能采用多種材料，我們選擇4C開(kāi)關(guān)電路圖形。即使電路開(kāi)關(guān)具有最低的靜態(tài)電容，它同樣具有足夠高的寄生電容和同樣好的開(kāi)關(guān)特性。下圖是最佳的開(kāi)關(guān)電路尺寸與圖形。

為了防止在每個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生的耦合，兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)之間的距離至少要大于lOmm。如果距離小于10mm，那么檢測(cè)將可能發(fā)生問(wèn)題，但是更合理的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)計(jì)算。

如果在開(kāi)關(guān)前面覆蓋一個(gè)面板，特別要考慮其穩(wěn)定性，在開(kāi)關(guān)與面板之間必須緊密接觸，不能有任何縫隙存在。因?yàn)榭p隙同樣能改變靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電容。

如果系統(tǒng)需要多個(gè)開(kāi)關(guān)，下圖給出了最佳的PCB設(shè)計(jì)方案。虛線為頂層走線，按鍵同樣設(shè)計(jì)在頂層，實(shí)線是底層走。

這種排列方式能減少走線之間的寄生電容量。

為了減少走線之間的寄生電容量，在PCB布板請(qǐng)按照以下方式：

（1）走線寬度不要超過(guò)0.3mm。

（2）避免信號(hào)線與地線平行。

（3）保持信號(hào)線之間的距離大于Imm。

（4）避免信號(hào)線穿越地平面。

（5）避免信號(hào)線接近高頻或高變化率的電路。