電容式觸摸按鍵IC設(shè)計方法與注意事項

　　電容式觸摸按鍵IC工作原理：任何兩個導(dǎo)電的物體之間都存在著感應(yīng)電容，一個按鍵即一個焊盤與大地也可構(gòu)成一個感應(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，人體手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)焊盤與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容，會使總感應(yīng)電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測到某個按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，將輸出某個按鍵被按下的確定信號。電容式觸摸按鍵因為沒有機械構(gòu)造，所有的檢測都是電量的微小變化，所以對各種干擾敏感得多，觸摸按鍵設(shè)計、觸摸面板的設(shè)計以及觸摸IC的選擇都十分關(guān)鍵。這里華強北IC代購網(wǎng)為大家介紹電容式觸摸按鍵IC的設(shè)計方法與注意事項。

　　一、觸摸按鍵設(shè)計

　　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，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，可以避免放電效應(yīng)。一般應(yīng)用圓形和正方形較常見。

　　3.觸摸PAD面積大小

　　按鍵感應(yīng)盤面積大?。?mm&TImes;4mm，30mm&TImes;30mm。實際面積大小根據(jù)靈敏度的需求而定，面積大小和靈敏度成正比。一般來說，按鍵感應(yīng)盤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。各個感應(yīng)盤的形狀、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是個典型值。

　　4.觸摸PAD之間距離

　　各個觸摸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之間的相互干擾。當(dāng)用PCB銅箔做觸摸PAD時，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，金屬會影響案件的靈敏度。在生產(chǎn)過程中，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與面板之間沒有空氣，因為空氣的介電系數(shù)為1，與面板的介電系數(shù)差異較大。空氣會對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都要用定位夾具完成裝配，（https://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板與面板之間沒有空氣，需要在雙面板上開孔和排氣槽，并且與PCB上開孔配合。設(shè)計夾緊夾具時，重點壓觸摸按鍵的部位，確保感應(yīng)部位沒有空氣。

　　三、電容式觸摸按鍵IC的選擇與應(yīng)用

　　目前，世界電子元器件供應(yīng)商均加大了對電容式觸摸按鍵IC的應(yīng)用研究，并推出了眾多的芯片（本文簡稱觸摸芯片），也有眾多基于MCU集成類的IC，設(shè)計人員選擇空間較大，可以根據(jù)功能的需求和芯片的性價比來選擇適合設(shè)計需要的IC，也可以自己設(shè)計基于MCU的A/D口實現(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12個感應(yīng)盤是否被觸摸。它可以通過任何非導(dǎo)電介質(zhì)（如玻璃和塑料）來感應(yīng)電容變化，這種電容感應(yīng)的開關(guān)可以應(yīng)用在很多電子產(chǎn)品上。

　　1.特征

　　12個完全獨立的觸摸感應(yīng)按鍵；保持自動校正，無需外部干預(yù)；按鍵輸出經(jīng)過完全消抖處理；多接口-I2C串行接口/BCD碼輸出；所有按鍵共用一個靈敏度電容。

　　2.管腳

　　3.芯片功能

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

　?。?）靈敏度：由CDC端口接的電容值決定。數(shù)值越小，靈敏度越高。

　?。?）自校正：根據(jù)外部環(huán)境溫度和濕度等的漂移，芯片會一直調(diào)整每個按鍵的電容基準(zhǔn)參考值。從檢測到按鍵開始，芯片會停止校正一段時間，這段時間大約15～50秒。然后芯片會繼續(xù)自校正，也就是說檢測按鍵有效的時間不會超過15～50秒。

　?。?）觸摸反應(yīng)時間：每個通道大約每隔12.5ms采樣。經(jīng)過按鍵消抖處理以后，檢測到按鍵按下的反應(yīng)時間大概是68毫秒，檢測按鍵離開的反應(yīng)時間大概是44毫秒。所以檢測按鍵的快頻率大概是每秒9次。

　?。?）BCD碼輸出：SC12A可以檢測多個按鍵同時有效。但是如果使用BCD碼輸出，就不能同時輸出多個按鍵值。無按鍵時，BCD［3:0］輸出為F。按鍵優(yōu)先級由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頻率下產(chǎn)生的容抗來限制工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個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，則流過電容的電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA，但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，應(yīng)為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。

　　根據(jù)這個特點，我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件，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阻性元件的特性。

　　例如，我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/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，燈泡同樣會被點亮，而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。

　　因此，電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態(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為斷開電源時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）來穩(wěn)定電壓，其正向特性用來在市電負(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，輸出電流即為：

　　容抗：Xc=1/（2πfC）

　　電流：Ic = U/Xc=2πfCU

　　采用電容降壓時應(yīng)注意以下幾點：

　　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?，而不是依?jù)負(fù)載的電壓和功率。

　　2、限流電容必須采用無極性電容，不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。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，因為不安全。

　　4、電容降壓不適合動態(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，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)計時，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實際上是流過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，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩(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間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

　　設(shè)計舉例

　　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。