魏宇，周月飛，潘亮，王艷飛，丁蒙蒙

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

電容式觸摸按鍵是目前冰箱上主流顯示板所應(yīng)用的觸摸按鍵，具有反應(yīng)靈敏、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。該按鍵的應(yīng)用給消費(fèi)者帶來(lái)了良好的用戶(hù)體驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)冰箱顯示板的EMC設(shè)計(jì)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。

由于電容式觸摸按鍵具有可直接集成在PCB中、靈活的外形尺寸以及額外成本極低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冰箱顯示板中。雖然電容式顯示板結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其也是冰箱的電磁兼容試驗(yàn)的重點(diǎn)考察對(duì)象之一，因此為其電磁兼容設(shè)計(jì)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。一旦冰箱顯示板注入電流試驗(yàn)不滿足國(guó)標(biāo)，需要及時(shí)整改。

龍玲麗等[1]對(duì)電容式顯示板進(jìn)行原理設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析；周書(shū)宇等[2]從顯示板結(jié)構(gòu)差異方面分析，可采用（50～70）%填充率的底層鋪銅，并在頂層覆蓋 0.13～0.6 mm 厚度的絕緣層的方法來(lái)提高顯示板可靠性。羅福根[3]研究了軟體設(shè)定的觸發(fā)門(mén)檻電容值對(duì)電容式按鍵可靠性的影響。前人對(duì)電容式顯示板的研究很多，但較少涉及到冰箱顯示板電磁兼容可靠性的研究。本文探討了冰箱顯示板電磁兼容可靠性的影響因素，為冰箱顯示板的電磁兼容可靠性設(shè)計(jì)提供了一定思路，有助于冰箱顯示板電磁兼容設(shè)計(jì)與整改工作的開(kāi)展。

1 電容式顯示板（圖1）的理論分析

圖1 電容式顯示板

按鍵傳感器自身存在一個(gè)基電容C1。當(dāng)人體觸摸顯示板表面時(shí)，由于人體能夠?qū)щ?，其與大地連接，與大地形成接地的導(dǎo)電層。傳感器墊片與人體及大地形成的導(dǎo)電層是平行關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)平行板電容器，形成寄生電容ΔC。傳感器總電容C=C1+ΔC。如果沒(méi)有觸摸，C=C1，控制器計(jì)算出電路中單位時(shí)間內(nèi)固定的方波轉(zhuǎn)換次數(shù)，當(dāng)手指觸摸按鍵，ΔC發(fā)生改變，傳感器總電容C隨之變化。

式中：

t—充放電時(shí)間；

R—電阻值；

C—電容值；

V1—充放電終止電壓；

V2—充放電起始電壓；

Vt—充放電電容電壓。

由公式可以得出，電容的變化具體體現(xiàn)到電壓的變化周期上，通過(guò)對(duì)電壓的采樣分析即可以得到電容的變化。

同時(shí)可得出理想狀態(tài)下影響按鍵性能、可靠性的具體參數(shù)，即充放電時(shí)間t、電阻值R、電容值C、充放電終止電壓V1、充放電起始電壓V2和充放電電容電壓Vt。

2 注入電流試驗(yàn)

在冰箱顯示板的電磁兼容試驗(yàn)中，注入電流試驗(yàn)直接考察顯示板的抗干擾能力。因此在本文中用注入電流試驗(yàn)來(lái)模擬外界復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)冰箱顯示板的干擾。注入電流，實(shí)際上是射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度。處在同一個(gè)電磁環(huán)境下的電子設(shè)備，都有可能向外發(fā)射電磁波形成電磁場(chǎng)。該電磁場(chǎng)可能在與被騷擾設(shè)備連接的電纜上因感應(yīng)而產(chǎn)生騷擾電壓。感應(yīng)產(chǎn)生的騷擾電壓會(huì)進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，干擾設(shè)備內(nèi)部電路，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常。

感應(yīng)是電磁騷擾的傳播方式之一，是空間中的電磁騷擾在被騷擾設(shè)備連接的電纜上因感應(yīng)而產(chǎn)生干擾電壓。被騷擾設(shè)備的電纜，如電源線或連接線的長(zhǎng)度通?？赡苁菐讉€(gè)波長(zhǎng)，可能會(huì)因此成為被動(dòng)天線。干擾以共模電壓的方式施加到冰箱的電源端口，在內(nèi)部電路中形成共模電流，最終干擾到內(nèi)部電路的正常工作。在注入電流試驗(yàn)中，干擾主要通過(guò)電源線傳導(dǎo)到主板，再傳導(dǎo)到顯示板上，主要干擾到顯示板的正常工作，存在誤觸發(fā)或卡頓等異常。

3 顯示板電磁兼容可靠性理論影響因素

影響冰箱電容按鍵可靠性與靈敏度的因素主要有電磁干擾、電路設(shè)計(jì)布局、元器件材料及工藝等。其中元器件材料及工藝受限于成本及其他現(xiàn)實(shí)原因影響，很難有較大改變。在設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮如何提高顯示板的電磁兼容可靠性，包括增加顯示板自身的抗干擾能力或吸收屏蔽外界干擾的能力。

1）基電容選型

基于上述理論分析，傳感器基電容是顯示板靈敏度的重要影響因素。在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)我們需要考慮基電容選型。基電容增大，即相同寄生電容下，對(duì)T的影響變小，則靈敏度降低，存在無(wú)法識(shí)別正常的按鍵風(fēng)險(xiǎn)。反之基電容減小，變大，ΔC對(duì)T影響較大，靈敏度升高，抗噪音能力降低，極易受到外界干擾。電磁干擾會(huì)使ΔC改變，出現(xiàn)干擾觸發(fā)，存在顯示板異常點(diǎn)亮或跳鍵等異常。因此靈敏度過(guò)高或過(guò)低都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在保證靈敏度的前提下提高顯示板的電磁兼容可靠性。

2）顯示板電路布局

合理通過(guò)顯示板的電路布局可提升抗噪能力。由于共模電流流過(guò)地線，會(huì)造成輻射耦合。因此按鍵到觸摸芯片之間信號(hào)線的地線屏蔽也需考慮。適當(dāng)?shù)匿併~面積可有效屏蔽干擾信號(hào)，增加顯示板抗噪聲能力。在多層板布線時(shí)信號(hào)線需要盡可能短，且有交叉需要時(shí)保持相互垂直。若空間結(jié)構(gòu)允許，可在干擾信號(hào)流經(jīng)的通訊線或地線上增加磁環(huán)，讓干擾以熱能的形式消耗掉。不同型號(hào)的磁環(huán)對(duì)應(yīng)不同頻率的干擾信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)整改前應(yīng)考慮到干擾信號(hào)的頻率，選擇合適規(guī)格的磁環(huán)。

3）主控電路設(shè)計(jì)

顯示板作為冰箱的一部分，也受到冰箱整體結(jié)構(gòu)的影響，若主控部分電路設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有完全濾除干擾，使得干擾通過(guò)信號(hào)線傳至顯示板，干擾通過(guò)空間耦合到敏感元器件上，會(huì)導(dǎo)致顯示板性能不滿足使用和試驗(yàn)要求?？稍谥骺仉娐飞喜季诌m當(dāng)?shù)臑V波電路，用以濾除內(nèi)部電源模塊以及外界從電源端口疊加的干擾。也可在5 V對(duì)地的電路串聯(lián)磁珠，效果類(lèi)似于濾波電容。磁珠或磁環(huán)用于在關(guān)鍵零部件下對(duì)于磁場(chǎng)的屏蔽補(bǔ)充，其原理為提高回路阻抗，將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化成熱能的形式消耗掉，從而抑制干擾信號(hào)的傳遞。

4 試驗(yàn)樣品和影響因素分析

4.1 基電容的影響

以風(fēng)冷冰箱A為實(shí)驗(yàn)樣本，實(shí)驗(yàn)室選擇EMS試驗(yàn)室，測(cè)試儀器采用：試驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器、耦合去耦裝置、衰減器等。

測(cè)試方法嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)GB/T 17626.6-2017《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)》[4]執(zhí)行，環(huán)境溫度為25 ℃，冰箱箱內(nèi)溫度穩(wěn)定以后進(jìn)行注入電流測(cè)試。試驗(yàn)頻率范圍為150 KHz～230 MHz。改變顯示板上基電容大小，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)冰箱顯示板注入電流試驗(yàn)，基電容過(guò)小，按鍵顯示板靈敏度高，但抗噪聲能力差，會(huì)出現(xiàn)隔空觸發(fā)等問(wèn)題?；娙葸^(guò)大，按鍵靈敏度偏小，按鍵有卡頓感，用戶(hù)使用感較差?；娙莸倪x取需要達(dá)到靈敏度與抗造噪能力的平衡。選取合適參數(shù)的基電容能提高顯示板的電磁兼容可靠性。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，更改基電容不改變?cè)须娐凡季旨罢w結(jié)構(gòu)，僅更改基電容大小，不增加額外經(jīng)濟(jì)成本。

4.2 磁環(huán)的影響

以風(fēng)冷冰箱A為實(shí)驗(yàn)樣本，試驗(yàn)器材為顯示面板、電源、示波器和試驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器、磁環(huán)。顯示面板無(wú)塑料件暴露按鍵電路信號(hào)線無(wú)遮擋。信號(hào)為3 V、500 mA直流電。

將實(shí)驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器鏈接的信號(hào)線平行安置在顯示面板信號(hào)線1 mm范圍內(nèi)，示波器正極連接在顯示面板按鍵電路的信號(hào)線前端，示波器設(shè)置參數(shù)，開(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器，觀察示波器波形變化（圖2），然后調(diào)整示波器參數(shù)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)直到可以看到完整波形變化。隨意連續(xù)調(diào)整直流電電壓，觀察波形變化（圖3）。顯示板通訊線上增加磁環(huán)后，觀察波形變化（圖4）。

圖2 無(wú)干擾時(shí)波形

圖3 干擾后波形

圖4 加磁環(huán)后波形

由上述試驗(yàn)可知當(dāng)數(shù)電電路、模擬電路、功率電路與信號(hào)電路距離過(guò)近時(shí)容易對(duì)信號(hào)電路產(chǎn)生干擾，使得信噪比上升，設(shè)備可靠性下降。增加磁環(huán)后可有效吸收干擾信號(hào)，增加顯示板電磁兼容可靠性。

如圖5所示，電流元產(chǎn)生的場(chǎng)的表達(dá)式為：

圖5 電偶極子坐標(biāo)系

式中c=3×108m/s

f=1.5×105～2.3×108Hz

故 2×103m＜λ＜1.30 m

5 優(yōu)化方案

針對(duì)上述試驗(yàn)分析，選取適當(dāng)?shù)幕娙菀约拔栈蚱帘胃蓴_信號(hào)可提升冰箱顯示板的可靠性。合適的基電容可平衡好按鍵的靈敏度與抗干擾能力，磁環(huán)或磁珠可將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能的形式消耗掉，提升顯示板的抗干擾能力。

在注入電流試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冰箱顯示板亮屏跳鍵的異常。以下是實(shí)際案例。

以風(fēng)冷冰箱A為例，試驗(yàn)在（8.4～12.9）MHz出現(xiàn)顯示板異常點(diǎn)亮和跳鍵的異常現(xiàn)象，不滿足注入電流試驗(yàn)A類(lèi)判定。試驗(yàn)結(jié)束后拆開(kāi)顯示板，發(fā)現(xiàn)門(mén)體地線靠近在顯示板旁邊，靠近顯示板間室選擇鍵和溫度調(diào)節(jié)鍵（圖6）。分別斷開(kāi)地線及相關(guān)連接線，發(fā)現(xiàn)斷開(kāi)地線時(shí)，滿足測(cè)試要求?；谏鲜霈F(xiàn)象分析，此案例中外源性干擾疊加到樣品的電源端口，注入到樣品內(nèi)部電路，共模電流流經(jīng)地線時(shí)，產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。由于顯示板感應(yīng)按鍵離地線距離很小，處于近場(chǎng)區(qū)，受到的干擾較大，最終表現(xiàn)為在某一頻段顯示板異常點(diǎn)亮與跳鍵，無(wú)法滿足試驗(yàn)要求。在本案例中，顯示板抗干擾能力較差?；谏鲜鲈囼?yàn)驗(yàn)證，適當(dāng)增加基電容值可有效提升顯示板的抗干擾能力。本次整改采取了更改基電容的方式。將基電容由7 pF改為8.2 pF，試驗(yàn)驗(yàn)證合格。

圖6 顯示板

不更改基電容，設(shè)計(jì)人員采用將門(mén)體接地線增加磁環(huán)，并繞制三圈的方式整改。最終試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常，整改合格。磁環(huán)在本案例中將干擾以熱能的形式消耗掉，在干擾到達(dá)敏感電路之前將干擾吸收。在整改過(guò)程中要注意磁環(huán)的規(guī)格和位置，對(duì)應(yīng)不同失效點(diǎn)的頻率，可選擇相應(yīng)的磁環(huán)。磁環(huán)繞制匝數(shù)不易過(guò)多，若匝數(shù)過(guò)多，寄生電容變大，對(duì)高頻干擾的抑制效果會(huì)變差。磁環(huán)使用方便，是電磁兼容整改中常用的方法。

6 結(jié)論

本文通過(guò)分析冰箱顯示板在注入電流試驗(yàn)中的影響因素，討論了電容式顯示板設(shè)計(jì)要點(diǎn)及常用整改方法。

1）應(yīng)選取適當(dāng)?shù)幕娙?，基電容過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響到顯示板的電磁兼容可靠性?；娙葸^(guò)小，按鍵雖然靈敏，但是抗干擾能力差，容易引起誤觸或隔空觸發(fā)等問(wèn)題?；娙葸^(guò)大，按鍵不靈敏，影響用戶(hù)日常體驗(yàn)感。

2）選取合適型號(hào)的磁環(huán)。磁環(huán)的使用可增加顯示板一定的抗干擾能力，價(jià)格低廉，效果顯著。在實(shí)際使用過(guò)程中要注意磁環(huán)的放置位置與繞制匝數(shù)。