通用设计注意事项和自电容传感设计

我们先进入今天的第一块 PCB Design

在这第一大块那

我们将会介绍这五个主要的内容

首先是这个通用的 一些layout的注意事项

然后我们会针对自电容、 互电容以及接近传感

最后一个就是 我们的防水的参考设计

我们先看第一个通用设计注意事项

大家注意到这个CapTIvate的MCU

我们有一个特殊的脚叫做VREG

这个脚是我们形成内部的LDO输出脚

它是可以给我们的CapTIvate 模块单独供电使用的

所以它需要一个bypass电容

一般来说我们用一个一位法的

这个电容当然是 希望越靠近拐角越好

第二个就是我们MCU DVCC脚

这个就比较普通了

我们需要增加两个电容

就像平常使用一样

第三个就是我们从电极到 IO code之间的串连电阻

通常我们推荐使用一个 470Ω到2kΩ之间的电阻

这个电阻有什么用呢

它主要提供两个作用

首先是这个电阻 和我们电极上的电容

它会形成一个低通的 类似一个低通滤波器

它可以滤掉高频的噪声

第二个，这个电阻同时 还可以提供ESD的保护

在某些应用

特别是在这个互电容的 这些参考应用上

我们有时候会在这个Rx脚 就是在接收脚上

并一个电容到第68pF的电路

这个电容有什么用

这个通常是我们在做过 需要过[Inaudible]噪声的时候

我们加这个电容 它可以帮助我们抑制噪声

第二块：面板

大家知道这个触摸面板 有各种各样的

我们在不同的应用中

有一些客户他希望用亚克力的

有些客户他希望做玻璃面板

甚至还有金属面板

那这些不同面板它有什么区别呢

大家来看这个表中列出了 这几个最主要的介质

它的介电系数

首先是水

大家看到这个水的 介电系数是非常的高 80

它这已经接近于导体了

第二个常见的是玻璃 7.6到8

第三个FR4也就是PCB板 3.4

塑料3

塑料就是我们常用的 包括PT

那从这个数字上可以看到 玻璃和塑料大概是一个2:1的概念

这个2:1的关系说明什么

那我们举个例来说

如果你在一个触摸方案的设计中

你用两毫米厚的亚克力面板

用来做面板

那你同样的电极它正好能够 穿透两毫米的面板而被手感应到

这时候如果你换成玻璃的话

它能够穿透的玻璃的厚度 就能够应该是接近于四毫米厚

因为这个介电系数越高 它能够穿透的厚度越大

所以我们在做这个评估的时候

特别是在一个项目前期评估

我们就要注意到这个overlay

它的材料是什么 它的介电系数是多少

那最后一个空气 它的介电系数是1

这说明空气它对穿透的能力 影响非常大的

我们能穿透八毫米厚的玻璃

但是同样的电极 却只能穿透一毫米厚的空气

所以我们在设计中 要尽量的避免air gap

因为air gap对灵敏度 的影响是非常大的

电极到overlay的bonding 这个什么意思呢

这就是我们 比如说电极设在PCB上

然后上面加了一个亚克力

那压克力跟PCB 它们两个是应该 是怎么结合在一起

首先，我们要保证 有非常良好的接触

在刚才我们提到了一毫米的空气间隙

就相当于八毫米的玻璃 所以我们尽量要避免air gap

第二个就是我们要使用非导电的胶

或者是类似的方法，比如说双面胶

这里我们推荐3M的468MP

这是一个比较常用的 质量比较好的双面胶

或者是用PSA

PSA是对压力比较敏感的一种胶

LED背光，这个也是我们在 日常的设计中会经常遇到的

特别是你做按键的时候 有时候会需要一些反馈

这个时候呢 LED就是 一个非常好的反馈

很多客户会说： 「那这个LED应该加在哪里呢？

如果我在pad上打洞， 会不会有问题？」

LED如果你加在按键的周围 那肯定是没问题的

那至于在pad上打洞，这个也没问题

但是我们要注意一下

这边列出来了几项 首先，这个洞不能太大

如果你说这个为了挖一个LED的洞

把电极基本上都给挖空了 那肯定是不行的

这会带来两个问题

首先，你这个按键 的灵敏度会下降得太多

如果你洞挖得很大的话

其次就是你挖洞的 这个区域它会变成一个盲区

这个前提就是洞非常大

如果洞很小的话无所谓

洞如果大了的话 你的手正好按在这个洞上

有可能这个按键会没有反应 这就是所谓的盲区

所以我们会尽量 尽可能地让这个LED的过孔小

在一个时某些的情况下 我们可能会需要增加一个bypass电容

去最大程度的 降低LED它自身的电容变化

所带来的对触摸电极的影响

特别是当LED非常靠近 或者是正好在电极的下方的时候

这个时候我们要看 MCU是怎么来驱动这个LED的

根据这个驱动方式的不同

我们要考虑 是否要增加这个bypass电容

下图左侧这个绿色的是表示

我们可以不加滤波电容

那这是什么情况呢？

就是我们在L口输出高或者低

来驱动LED亮面 这种情况我们是不需要增加电容的

但是在右边

如果L口是通过低或者是高阻

或者是输出高或者高阻

这种情况我们就需要增加滤波电容

因为在高阻态的时候 LED的状态不变

它的容值在切换成低 或者高的时候会产生很大的变化

而这个变化会被触摸电极检测到

当靠近信号线的时候 我们要注意什么呢？

信号线它有的时候就有点像是噪声源

我们这里的信号线指得是类似

PWM、I2C 或者UART这些通信线

那如果是靠得近那应该怎么办呢？

首先我们要尽量避免平行轴

跟这些信号线平行轴

比较长的距离或者是靠得比较近的

那如果是 实在是轴线的需要交错的时候

我们尽量保证90度

那给它在这里就是一个90度的交叉

好接下来我们来介绍自电容

自电容它的基本原理 它是一个电极

跟周围空间的一个偶合

当人的手靠近的时候

改变了这个电容的容值

那通常我们自电容的电极设计 的大小大概就是接近手指的大小

它的形状可以是多种多样的 不论是方形的、圆形的

还是异形的 比如说， 类似字母的形状

这些都可以

另外一个要注意的，它的Spacing

也就是电极和周围的一些地、信号线

这些都是间距

通常我们的建议值是一半的面板厚度

就是假设你的面板是两毫米的亚克力

我们通常建议就是电极 还有电极的trace

和你周围的地、信号线这些间距

保持一毫米的间距

这里不仅是trace和周围的地

还包括了trace和trace 就是走线和走线之间的间距

我们也尽量保持一半的面板厚度

唯一有一个例外

就是我们如果能够保证让这

假设右下角这个图

我们让这三个电极 可以让它在同一个扫描中心

大家同时扫的话 那这样的话

这几根走线是可以靠得比较近的

甚至靠得比较近都无所谓

因为它们是在同一个扫描中心来扫描

它们的电势是保持等电势

所以它们互相之间不会有影响

自电容的按键

这个按键的 形状设计是可以各种各样的

也很简单

通常的话我们会使用圆形或者是方形

右上角这种设计

是一个错误的设计

为什么呢？大家看到这个图案中

把外围的这个粗的线是作为电极

中间的小细线是一个地

那为什么会出现这种形状的设计呢？

因为这个通常在老式的...

机械按键

特别是那些动漫键

比如说，以前小时候 的那些游戏机或者遥控器

你上面是导电橡胶 你按下去的时候

它把这个电极跟地连起来

来完成一次按键的触发

这个其实是机械按键的设计方法

那如果换到电容触摸按键的话

这种设计方式就相当于降低了

触摸的灵敏度

因为很多的这个电极上面 的电容它会偶合到这根地线上

使得它的感应距离下降得很厉害

这里我们要小心

从电极线也就是从电极到IO code

这些之间的连线 它的触摸也是很敏感的

所以如果我们把这根trace

在layout的时候画得太粗

它就 也会变成一个touch

电极的面积大小

通常我们推荐从8毫米到12毫米不等

这主要取决于我们具体的应用

比如说，你面板厚一点

那可能我们就需要电极的尺寸大一些

如果薄的话，尺寸就可以小一些

但是如果你的电极面积过大

它的副作用就是 它容易受到噪声的影响

因为它比较敏感

但是它太小的话 用户体验又会不好

电极座位的地

这是一个相对来说 不太好处理的一个地方

电极座位的地 它是会降低你的灵敏度的

但它在降低灵敏度的同时 它也会带来一个好处

它会提高你系统的抗噪声能力

增加系统的稳定性

所以通常我们在就是需要过

这些抗干扰测试

对这些要求比较高的案子中 我们铺的地会铺得多一些

比如说，铺25%的网格地

甚至在这个电极下面 也会铺一些比较密的网格地

这里唯一一个特例就是FPC

因为FPC太薄了

如果在FPC的电极反面里铺地的话

它有可能会让灵敏度下降得过厉害

以致于你无法正常的操作

所以FPC需要另外考虑

再一个就是在电极周围铺地的时候 一般来说我们会

通常建议它跟电极之间的 间距是大于二分之一的面板厚度

包括我们的走线跟周围的地 也是大于二分之一的面板厚度

这个二分之一只是一个参考值

在实际案子中很有可能是无法满足的

因为比如说 我们有些案子它会用到三毫米

甚至五毫米厚的亚克力

那这个时候我们要求 所有的地跟它的间距都要达到2.5毫米

这个确实不太容易

那总得来说 我们就是尽量往这个方面去设计

尽量满足这个二分之一的面板厚度

用自电容来设计滑条和转轮

这个相对来说 除了画这个图不是很好画

其他的设计来说是比较容易 比较简单的

我们TI的这个CapTIvate

可以同时使用 三到四个的电极来做一个滑条

通常来说这个自电容的 滑条或者是转轮

它会比这个互电容做的滑条

它的灵敏度要高一些

因为这个取决于这个自电容 跟互电容它本身的原理上的差异

所以说在做自电容 这个电极设计的时候

它的这个电极之间 的间距就是比较重要的

大家看到这个，我们会用很多齿

不管是在wheel还是在滑条上

我们会用很多这个牙齿形状的交错

这么做的目的就是为了

让你在转轮或者在滑条 上面滑动的时候

各个通道之间的信号 可以比较均匀地交错在一起

这样我们在记上坐标的时候

它的线性度会比较好

但是大家可能会问这个齿

因为它是有齿嘛 两个电极是交互在一起

但是这两个电极的间距 应该保持多少是比较理想的

我们通常会建议大家在做 这个wheel或者滑条设计的时候

尽量把这些通道

设计成在同一个scan周期里面扫描

这样的话大家都在同时扫描

所有的电极都处于相等的电势状态

它们互相之间的影响达到最小

这样的话，它们的间距 可以设计成挨得非常近

同时呢，由于是同时扫描 它的线性度会更好

它的灵敏度会更高 它的抗噪声能力也会更强

自电容在layout 的时候要注意的一些问题

首先是它的这个走线

这个我们前面也有提到过

这个走线我们希望它是越来越细越好

因为它走线粗了，它本身对电容

对你的手指它也会比较敏感

你摸这个走线的地方 它也会认为是touch

第二个尽可能的是

把那些走线走在PCB的背面

然后顶层可以铺一些地

这样你手摸上去，它就没有反应了

第二个就是这个走线跟地之间的间距

尽量还是要保持一点点距离

我们推荐是大于一半的面板厚度

这样的话，它的机身电容就会少一些

那第三个就是我们刚才提到的

如果是可以同时扫描的话

这些电极线可以走得非常近

电极

包括电极也可以摆放得非常近

但如果它们不是同一个 扫描周期里面完成的扫描

那这样的话 它们之间的间距还是要保证

至少要大于二分之一面板的厚度

最后一个

这些信号线跟电极线之间的间距

这个就是越远越好了

但如果它们要交错的话 保证90度

自电容周围的地

如果是为了EMC这些测试的需求

我们可以铺些地

我们推荐的是25%的地网格

在电极的反面

同时在电极的同一层

也就是top层 我们是推荐使用实心的地

大家来看一下这里有四幅图

上面的地是有四种不同的铺法

然后大家可以想一想

这四种layout，哪一个灵敏度最高？

哪一个灵敏度最低？

第一个灵敏度是最高的

最后一幅灵敏度是最低的

这是因为在第一幅图我们在top层

电极的周围有网格地 但是在bottom层是没有地的

然后最后一幅图是 在top和bottom层全部都有地

而且这个top层还全部是实心地

所以它的灵敏度会下降得比较厉害

我们先进入今天的第一块 PCB Design

在这第一大块那

我们将会介绍这五个主要的内容

首先是这个通用的 一些layout的注意事项

然后我们会针对自电容、 互电容以及接近传感

最后一个就是 我们的防水的参考设计

我们先看第一个通用设计注意事项

大家注意到这个CapTIvate的MCU

我们有一个特殊的脚叫做VREG

这个脚是我们形成内部的LDO输出脚

它是可以给我们的CapTIvate 模块单独供电使用的

所以它需要一个bypass电容

一般来说我们用一个一位法的

这个电容当然是 希望越靠近拐角越好

第二个就是我们MCU DVCC脚

这个就比较普通了

我们需要增加两个电容

就像平常使用一样

第三个就是我们从电极到 IO code之间的串连电阻

通常我们推荐使用一个 470Ω到2kΩ之间的电阻

这个电阻有什么用呢

它主要提供两个作用

首先是这个电阻 和我们电极上的电容

它会形成一个低通的 类似一个低通滤波器

它可以滤掉高频的噪声

第二个，这个电阻同时 还可以提供ESD的保护

在某些应用

特别是在这个互电容的 这些参考应用上

我们有时候会在这个Rx脚 就是在接收脚上

并一个电容到第68pF的电路

这个电容有什么用

这个通常是我们在做过 需要过[Inaudible]噪声的时候

我们加这个电容 它可以帮助我们抑制噪声

第二块：面板

大家知道这个触摸面板 有各种各样的

我们在不同的应用中

有一些客户他希望用亚克力的

有些客户他希望做玻璃面板

甚至还有金属面板

那这些不同面板它有什么区别呢

大家来看这个表中列出了 这几个最主要的介质

它的介电系数

首先是水

大家看到这个水的 介电系数是非常的高 80

它这已经接近于导体了

第二个常见的是玻璃 7.6到8

第三个FR4也就是PCB板 3.4

塑料3

塑料就是我们常用的 包括PT

那从这个数字上可以看到 玻璃和塑料大概是一个2:1的概念

这个2:1的关系说明什么

那我们举个例来说

如果你在一个触摸方案的设计中

你用两毫米厚的亚克力面板

用来做面板

那你同样的电极它正好能够 穿透两毫米的面板而被手感应到

这时候如果你换成玻璃的话

它能够穿透的玻璃的厚度 就能够应该是接近于四毫米厚

因为这个介电系数越高 它能够穿透的厚度越大

所以我们在做这个评估的时候

特别是在一个项目前期评估

我们就要注意到这个overlay

它的材料是什么 它的介电系数是多少

那最后一个空气 它的介电系数是1

这说明空气它对穿透的能力 影响非常大的

我们能穿透八毫米厚的玻璃

但是同样的电极 却只能穿透一毫米厚的空气

所以我们在设计中 要尽量的避免air gap

因为air gap对灵敏度 的影响是非常大的

电极到overlay的bonding 这个什么意思呢

这就是我们 比如说电极设在PCB上

然后上面加了一个亚克力

那压克力跟PCB 它们两个是应该 是怎么结合在一起

首先，我们要保证 有非常良好的接触

在刚才我们提到了一毫米的空气间隙

就相当于八毫米的玻璃 所以我们尽量要避免air gap

第二个就是我们要使用非导电的胶

或者是类似的方法，比如说双面胶

这里我们推荐3M的468MP

这是一个比较常用的 质量比较好的双面胶

或者是用PSA

PSA是对压力比较敏感的一种胶

LED背光，这个也是我们在 日常的设计中会经常遇到的

特别是你做按键的时候 有时候会需要一些反馈

这个时候呢 LED就是 一个非常好的反馈

很多客户会说： 「那这个LED应该加在哪里呢？

如果我在pad上打洞， 会不会有问题？」

LED如果你加在按键的周围 那肯定是没问题的

那至于在pad上打洞，这个也没问题

但是我们要注意一下

这边列出来了几项 首先，这个洞不能太大

如果你说这个为了挖一个LED的洞

把电极基本上都给挖空了 那肯定是不行的

这会带来两个问题

首先，你这个按键 的灵敏度会下降得太多

如果你洞挖得很大的话

其次就是你挖洞的 这个区域它会变成一个盲区

这个前提就是洞非常大

如果洞很小的话无所谓

洞如果大了的话 你的手正好按在这个洞上

有可能这个按键会没有反应 这就是所谓的盲区

所以我们会尽量 尽可能地让这个LED的过孔小

在一个时某些的情况下 我们可能会需要增加一个bypass电容

去最大程度的 降低LED它自身的电容变化

所带来的对触摸电极的影响

特别是当LED非常靠近 或者是正好在电极的下方的时候

这个时候我们要看 MCU是怎么来驱动这个LED的

根据这个驱动方式的不同

我们要考虑 是否要增加这个bypass电容

下图左侧这个绿色的是表示

我们可以不加滤波电容

那这是什么情况呢？

就是我们在L口输出高或者低

来驱动LED亮面 这种情况我们是不需要增加电容的

但是在右边

如果L口是通过低或者是高阻

或者是输出高或者高阻

这种情况我们就需要增加滤波电容

因为在高阻态的时候 LED的状态不变

它的容值在切换成低 或者高的时候会产生很大的变化

而这个变化会被触摸电极检测到

当靠近信号线的时候 我们要注意什么呢？

信号线它有的时候就有点像是噪声源

我们这里的信号线指得是类似

PWM、I2C 或者UART这些通信线

那如果是靠得近那应该怎么办呢？

首先我们要尽量避免平行轴

跟这些信号线平行轴

比较长的距离或者是靠得比较近的

那如果是 实在是轴线的需要交错的时候

我们尽量保证90度

那给它在这里就是一个90度的交叉

好接下来我们来介绍自电容

自电容它的基本原理 它是一个电极

跟周围空间的一个偶合

当人的手靠近的时候

改变了这个电容的容值

那通常我们自电容的电极设计 的大小大概就是接近手指的大小

它的形状可以是多种多样的 不论是方形的、圆形的

还是异形的 比如说， 类似字母的形状

这些都可以

另外一个要注意的，它的Spacing

也就是电极和周围的一些地、信号线

这些都是间距

通常我们的建议值是一半的面板厚度

就是假设你的面板是两毫米的亚克力

我们通常建议就是电极 还有电极的trace

和你周围的地、信号线这些间距

保持一毫米的间距

这里不仅是trace和周围的地

还包括了trace和trace 就是走线和走线之间的间距

我们也尽量保持一半的面板厚度

唯一有一个例外

就是我们如果能够保证让这

假设右下角这个图

我们让这三个电极 可以让它在同一个扫描中心

大家同时扫的话 那这样的话

这几根走线是可以靠得比较近的

甚至靠得比较近都无所谓

因为它们是在同一个扫描中心来扫描

它们的电势是保持等电势

所以它们互相之间不会有影响

自电容的按键

这个按键的 形状设计是可以各种各样的

也很简单

通常的话我们会使用圆形或者是方形

右上角这种设计

是一个错误的设计

为什么呢？大家看到这个图案中

把外围的这个粗的线是作为电极

中间的小细线是一个地

那为什么会出现这种形状的设计呢？

因为这个通常在老式的...

机械按键

特别是那些动漫键

比如说，以前小时候 的那些游戏机或者遥控器

你上面是导电橡胶 你按下去的时候

它把这个电极跟地连起来

来完成一次按键的触发

这个其实是机械按键的设计方法

那如果换到电容触摸按键的话

这种设计方式就相当于降低了

触摸的灵敏度

因为很多的这个电极上面 的电容它会偶合到这根地线上

使得它的感应距离下降得很厉害

这里我们要小心

从电极线也就是从电极到IO code

这些之间的连线 它的触摸也是很敏感的

所以如果我们把这根trace

在layout的时候画得太粗

它就 也会变成一个touch

电极的面积大小

通常我们推荐从8毫米到12毫米不等

这主要取决于我们具体的应用

比如说，你面板厚一点

那可能我们就需要电极的尺寸大一些

如果薄的话，尺寸就可以小一些

但是如果你的电极面积过大

它的副作用就是 它容易受到噪声的影响

因为它比较敏感

但是它太小的话 用户体验又会不好

电极座位的地

这是一个相对来说 不太好处理的一个地方

电极座位的地 它是会降低你的灵敏度的

但它在降低灵敏度的同时 它也会带来一个好处

它会提高你系统的抗噪声能力

增加系统的稳定性

所以通常我们在就是需要过

这些抗干扰测试

对这些要求比较高的案子中 我们铺的地会铺得多一些

比如说，铺25%的网格地

甚至在这个电极下面 也会铺一些比较密的网格地

这里唯一一个特例就是FPC

因为FPC太薄了

如果在FPC的电极反面里铺地的话

它有可能会让灵敏度下降得过厉害

以致于你无法正常的操作

所以FPC需要另外考虑

再一个就是在电极周围铺地的时候 一般来说我们会

通常建议它跟电极之间的 间距是大于二分之一的面板厚度

包括我们的走线跟周围的地 也是大于二分之一的面板厚度

这个二分之一只是一个参考值

在实际案子中很有可能是无法满足的

因为比如说 我们有些案子它会用到三毫米

甚至五毫米厚的亚克力

那这个时候我们要求 所有的地跟它的间距都要达到2.5毫米

这个确实不太容易

那总得来说 我们就是尽量往这个方面去设计

尽量满足这个二分之一的面板厚度

用自电容来设计滑条和转轮

这个相对来说 除了画这个图不是很好画

其他的设计来说是比较容易 比较简单的

我们TI的这个CapTIvate

可以同时使用 三到四个的电极来做一个滑条

通常来说这个自电容的 滑条或者是转轮

它会比这个互电容做的滑条

它的灵敏度要高一些

因为这个取决于这个自电容 跟互电容它本身的原理上的差异

所以说在做自电容 这个电极设计的时候

它的这个电极之间 的间距就是比较重要的

大家看到这个，我们会用很多齿

不管是在wheel还是在滑条上

我们会用很多这个牙齿形状的交错

这么做的目的就是为了

让你在转轮或者在滑条 上面滑动的时候

各个通道之间的信号 可以比较均匀地交错在一起

这样我们在记上坐标的时候

它的线性度会比较好

但是大家可能会问这个齿

因为它是有齿嘛 两个电极是交互在一起

但是这两个电极的间距 应该保持多少是比较理想的

我们通常会建议大家在做 这个wheel或者滑条设计的时候

尽量把这些通道

设计成在同一个scan周期里面扫描

这样的话大家都在同时扫描

所有的电极都处于相等的电势状态

它们互相之间的影响达到最小

这样的话，它们的间距 可以设计成挨得非常近

同时呢，由于是同时扫描 它的线性度会更好

它的灵敏度会更高 它的抗噪声能力也会更强

自电容在layout 的时候要注意的一些问题

首先是它的这个走线

这个我们前面也有提到过

这个走线我们希望它是越来越细越好

因为它走线粗了，它本身对电容

对你的手指它也会比较敏感

你摸这个走线的地方 它也会认为是touch

第二个尽可能的是

把那些走线走在PCB的背面

然后顶层可以铺一些地

这样你手摸上去，它就没有反应了

第二个就是这个走线跟地之间的间距

尽量还是要保持一点点距离

我们推荐是大于一半的面板厚度

这样的话，它的机身电容就会少一些

那第三个就是我们刚才提到的

如果是可以同时扫描的话

这些电极线可以走得非常近

电极

包括电极也可以摆放得非常近

但如果它们不是同一个 扫描周期里面完成的扫描

那这样的话 它们之间的间距还是要保证

至少要大于二分之一面板的厚度

最后一个

这些信号线跟电极线之间的间距

这个就是越远越好了

但如果它们要交错的话 保证90度

自电容周围的地

如果是为了EMC这些测试的需求

我们可以铺些地

我们推荐的是25%的地网格

在电极的反面

同时在电极的同一层

也就是top层 我们是推荐使用实心的地

大家来看一下这里有四幅图

上面的地是有四种不同的铺法

然后大家可以想一想

这四种layout，哪一个灵敏度最高？

哪一个灵敏度最低？

第一个灵敏度是最高的

最后一幅灵敏度是最低的

这是因为在第一幅图我们在top层

电极的周围有网格地 但是在bottom层是没有地的

然后最后一幅图是 在top和bottom层全部都有地

而且这个top层还全部是实心地

所以它的灵敏度会下降得比较厉害