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(shè)計(jì)

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(shí)發(fā)現(xiàn)的RE、BCI和ESD問題，并列出這些測試對應(yīng)的電容觸摸屏設(shè)計(jì)規(guī)則。

【關(guān)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(jī)交互方式。觸摸屏的應(yīng)用非常廣闊，汽車娛樂系統(tǒng)目前也普遍使用了觸摸屏，觸摸屏的應(yīng)用給駕駛者帶來了良好的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也對汽車娛樂系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

觸摸屏根據(jù)感應(yīng)原理可分為電阻式、電容式、聲波式和光學(xué)式等。目前，電容式觸摸屏憑借其高靈敏度、多點(diǎn)觸摸和壽命長等特點(diǎn)，已成為汽車娛樂系統(tǒng)市場的主流。本文主要對電容觸摸屏進(jìn)行介紹和EMC設(shè)計(jì)分析。

1　電容觸摸屏簡介

當(dāng)手指觸摸在觸摸屏上時(shí)，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(xù)掃描脈沖信號是導(dǎo)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(jì)算得出觸摸點(diǎn)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(fā)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(nèi)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?yàn)檫B接了手指產(chǎn)生的耦合電容而會發(fā)生明顯變化。

2　電容觸摸屏的EMC設(shè)計(jì)

如上節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)將很容易導(dǎo)致RE測試結(jié)果超標(biāo)和BCI測試時(shí)觸摸屏誤觸發(fā)。另外，由于電容觸摸屏在汽車電子EMC測試中需要經(jīng)受多次±25kV靜電放電測試，所以如果相關(guān)防護(hù)設(shè)計(jì)不夠理想，會容易導(dǎo)致觸摸屏損壞或者觸摸屏驅(qū)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(shè)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(xiàng)目的第一次摸底時(shí)發(fā)現(xiàn)在低頻段嚴(yán)重超標(biāo)，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(shù)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(shè)置來修改脈沖信號的參數(shù)。在不影響觸摸屏報(bào)點(diǎn)各項(xiàng)性能的前提下以下措施的應(yīng)用通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證會明顯降低脈沖信號導(dǎo)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(shí)間時(shí)可以降低輸出脈沖信號的電壓和電流。（2）脈沖上升沿設(shè)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(shí)間從而提高報(bào)點(diǎn)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(chǎn)品，報(bào)點(diǎn)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(zhuǎn)為Idle。

所謂Active模式是指控制器連續(xù)發(fā)出脈沖信號，Idle模式是指控制器間隔一段時(shí)間發(fā)出脈沖信號。這樣測試時(shí)天線在單個頻點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)檢測到的能量就少了很多。

（4）增大脈沖間隔時(shí)間和減少脈沖個數(shù)。

增大脈沖間隔時(shí)間和減少脈沖個數(shù)同樣可以降低天線在單個頻點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)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(zhǔn)峰值。

圖2　音響娛樂系統(tǒng)某產(chǎn)品整改前后單極天線測試結(jié)果對比

圖2藍(lán)色曲線是使用了觸摸屏新配置軟件后的測試結(jié)果?？梢钥闯鲈诘皖l段不但不再超標(biāo)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(shè)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(chǎn)品常用的一種抗干擾型式試驗(yàn)方法。一般測試的頻率范圍是100kHz至400MHz。筆者一個項(xiàng)目在做BCI測試時(shí)發(fā)現(xiàn)在130kHz左右出現(xiàn)觸摸屏誤觸發(fā)的現(xiàn)象。根據(jù)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(shè)置來修改脈沖信號的參數(shù)。

BCI測試時(shí)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(bào)點(diǎn)的正確性，觸摸屏在檢測到時(shí)整體噪聲即將到影響正確報(bào)點(diǎn)時(shí)一般有下面兩種做法：

（1）屏蔽觸摸屏所有的報(bào)點(diǎn)；

（2）采用跳頻形式避開干擾點(diǎn)。

對于EMC測試，因?yàn)闇y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(chǎn)品本身且有固定的頻率（如開關(guān)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(shí)同時(shí)有模擬手在不斷觸摸屏幕，同時(shí)不能有誤報(bào)點(diǎn)。這種測試要求下必須采用上述的第（2）種方法。當(dāng)客戶沒有此要求時(shí)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(shí)現(xiàn)且效果更加明顯。

2.3電容觸摸屏ESD設(shè)計(jì)

ESD是觸摸屏EMC設(shè)計(jì)中最需要重點(diǎn)考慮的，因?yàn)橐坏〦SD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(jié)構(gòu)等共同配合解決，這些修改不但會影響項(xiàng)目的進(jìn)度而且會增加BOM成本。所以這里列出相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)供大家參考。

（1）確定觸摸屏玻璃厚度時(shí)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(hù)地線放電，如果地線較細(xì)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(tǒng)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(shè)置成完整的地平面并和系統(tǒng)地低阻抗連接。

（5）觸摸屏控制器的軟件需要設(shè)置屏蔽“大手指”的報(bào)點(diǎn)輸出。ESD對觸摸屏放電時(shí)，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(shè)置成屏蔽“大手指”后可以有效解決觸摸屏誤報(bào)點(diǎn)的問題。

（6）原理圖設(shè)計(jì)時(shí)需要在觸摸屏與系統(tǒng)的接口處預(yù)留TVS等ESD保護(hù)措施。

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

3　結(jié)束語

本文是基于汽車電子項(xiàng)目得出的觸摸屏EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槠囯娮拥腅MC標(biāo)準(zhǔn)相比其他類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)，所以對于其他類含觸摸屏產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)時(shí)也可以參考本文的設(shè)計(jì)。