智能家居网络控制器退耦技术应用

王 成，陈文杰，潘小钗，马 帅，王 威

（浙江达峰科技有限公司 浙江 杭州 310023）

智能家居中网络控制器控制方式多种，浙江达峰科技有限公司开发的网络触摸控制器为机械手动控制和移动控制（ZIGBEE和WIFI），两种控制方式可集合在一起，移动控制方式有手机、网关、计算机等，机械手动控制为触摸按键控制。在没有外界干扰的情况下，网络触摸控制器在这些控制方式下能很好的实现既定的功能。在施加外界干扰情况下，手动触控方式可能就存在相关问题，例如触摸不灵敏，触摸按键不响应，响应延迟等，移动控制可能存在发送指令无响应，或发送丢失等。因此，对于干扰源的抑制和降低是很值得研究学习。退耦技术应用优化，可以降低成本，提高产品抗干扰的能力，达到优化设计的目的[1]。

本课题采用硬件电路设计解决上述存在的问题，一方面通过添加退耦电容，另一方面通过合理的布局布线设计和PCB设计，二者结合的方法降低和抑制干扰，并且通过具体的试验验证（脉冲群干扰试验），很好的验证了退耦技术应用[2]。

1 方案设计及器件选择

浙江达峰科技有限公司生产的网络控制器采用ZIGBEE无线通信模块，配合网关，以及不同类型的通信转发模块，可以适用于遥控器，网关，手机，电脑等移动控制。

在网络控制器中具体设计采用模块化设计，这样便于产品设备规约化处理，便于故障排查和生产设计，具体设备模块化设计如图1所示。

图1 设备模块化设计Fig.1 Modular design

设备模块化功能分为3个模块，各个模块功能介绍如下：

1）通讯/控制板

ZigBee通讯控制板，通讯控制板完成通讯协议接收、解析、简单执行的功能。ZigBee通讯控制板内嵌协议栈，支持路由、组网等功能。通讯控制板小模块化设计，采用插板方式插在控制接口板上或电源板上，也可以集成到控制接口板。

2）控制/接口板

控制接口板ZigBee通讯控制板采用ZigBee模块，内嵌协议栈，支持路由、组网等功能。

3）电源/执行板

电源/执行板实现供电或执行功能。

在具体的网络触摸控制器设计，其具体结构图如图2所示。

图2 触摸控制器结构图Fig.2 Touch controller block diagram

在触摸按键控制器中，电源/执行板包含电源电路（提供12 V和3.3 V输出电压）和继电器执行模块，外留负载接口；控制/接口板包含单片机主控制电路，ZIGBEE通讯电路和按键扫描和触摸驱动电路。所设计的电路板一共为2块，中间通过通信口连接。其中控制/接口板对于退耦技术有很高的实质性的应用。

2 退耦技术

PCB设计的经验法则：“在电路板的电源接入端放置一个 1～10μF的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01～0.1μF的电容，滤除高频噪声。”退耦是为了给电源电路干扰信号提供一个低阻抗的出路。一般选择0.1μF电容作为退耦电容。在高速PCB设计[3]中，这个容值需要依据信号频率具体计算，防止滤除有效信号。

实际电源系统中主要存在电源塌陷噪声，其噪声分布不仅仅局限于与芯片内部，其实与整个电路板芯片引脚，走线长度，地线处理都有关系。因此，在具体的网络触摸控制器设计中，弱电电路和强电电路区域必须要分开，保持足够的电气间隙和爬电距离。对于开关电源电路纹波要求必须符合企业或国家标准，以降低电源前端EMI传导和EMC电磁干扰[3-4]。弱电电路部分充分要考虑退耦电容的使用以及在实际PCB设计中退耦技术的处理，改善整个产品EMI和EMC性能。

3 触摸驱动电路设计

针对退耦技术具体应用，选择电容式触摸芯片CP2524作为具体分析电路。这个系列的触摸芯片通过感应触摸，引起感应电极上的电容变化，进而将电容信号变化量转换成数字信号。在CP2524芯片中应用中注重3个引脚功能，电源引脚，PD引脚和IADJ（调节灵敏度）。其中PD是掉电有效，高有效[5]。

在设计时，我们将PD引脚作为复位引脚，在3.3 V工作电压输入端接入104P小电容，便于退耦。所设计的CP2524触摸驱动电路如图3所示。

图3 CP2524触摸驱动电路Fig.3 CP2524 touch chip driver circuit

在具体的PCB布局设计中，将电源/执行板与控制接口板分开，通过通信口引入3.3 V工作电压。因此，在控制主板上，对于电源线布置走线不可能按照最短路径，其噪声分布很是明显。在实际设计中，3.3 V主电源输入端附近放一个0.1μF小电容，并且尽可能的靠近电源端，之后对其他芯片供电。整个3.3 V电源线走线附近尽可能的铺地（GND）。在图3所示中，CP2524电源端放置C8，其放置位置尽可能靠近电源。在PD引脚端，建议单独走一根粗地线。所有信号线，电源线尽可能走同一板面，地线走另一面。在电源线附近，要预留足够的铺设地线的空间。

铺地（铺铜）之后，就要添加过孔，将上下两层地层连接，尽量保持一层地的完整性。一个过孔就相当于小电容，并且在电源线附近多放置，尽可能的靠近电源线，便于更好的提供退耦，去耦通道[5]。

4 测试及调试结果

实际中网络触摸控制器设计完成后需要功能测试，各种电气性能实验验证。这里主要涉及到静电放电和脉冲群干扰实验。在实际设计中，若是电源线处置不合理，以及铺铜（GND）不合理，导致退耦处理不好，会影响实验的具体结果。初次设计控制板走线时，电源走线单一，电源线走线附近地层割裂，与另一层地层之间过孔太少，衔接太远。

脉冲群干扰试验中，设定干扰电压1 kV，1.5 kV、2.5 kV。验收标准为2.5 kV无异常，无死机。静电放电试验设定接触放在为正负8 kV。脉冲群干扰测试分为2种，在干扰情况下，一种是手动触摸按键，查看按键功能实现，另一种采用PC主机（电脑）进行通信测试。通信测试中，采用通讯调试板—RL12D-C07V2.00，设定好波特率等基本参数，发送抄读帧“5A 5C 12 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF 01 01 04 C9 A5”，查看回复帧，应有5A 5C……A5的回复帧，长度为22字节。经过多次测试（测试次数99次），对比发送帧和回复帧吻合情况。

干扰电压1 kV，触摸按键测试和通信测试均正常。设定干扰电压1.5 kV或2.5 kV，触摸按键会出现很大失灵，触摸按键无响应等情况。干扰电压2.5 kV时，通信测试时接收出现较大的丢失率，超过20%。具体通信测试如图4所示。

图4 干扰下通信测试结果（改良前）Fig.4 Results under communication interference test（before improved）

改善方法一：在C8端外接接入0.1 uF的瓷片电容（引脚很短），在脉冲群干扰试验中触摸按键控制出现较大的改观，在1.5 kV干扰电压中，触摸按键很少出现失灵，无响应等情况。但是在静电放电试验（正负8 kV接触放电）中，因为这个电容会提供暂时性的充放电功能，导致负载电压出现抖动，同样导致试验不合格。在C8端并联2个或3个及以上的瓷片电容（0.1μF），对于退耦无多大改善效果（其效果与额外并联一个瓷片电容基本无差别）。此方法不适用。

改善方法二：控制主板布局无改变，着重于电源线走线处理，将电源线分成2部分，分别走线，一线供电于IC芯片，另一条线供电于其他芯片。在电源线分线附近添加一个0.1μF小电容，在芯片电源端引脚尽可能放置一个0.1μF贴片小电容，在电源线走线附近两侧，铺设地层，电源线另一层地层包含电源线走线区域，并且上下二层地层用过孔连接，保持一层地线的完整性，电源线附近地层过孔放置要多。改良设计后进行脉冲群干扰试验2.5 kV测试，触摸按键和通信测试均取得良好的测试结果，通信测试结果如图5所示。

图5 干扰下通信测试结果（改良后）Fig.5 Results under communication interference test（after improved）

5 结 论

在产品设计时，尤其对于网络触摸控制器而言，对于电源噪声影响很敏感。尤其产品设计完工需要进行EMI和EMC测试，直接关系到产品设计的成败。在原理图上设计考虑退耦电容的同时，在进行具体的PCB设计时同样需要考虑退耦的处理。只有考虑全面，以及实际性的试验验证，才能进一步增加退耦技术实际上的应用，绝不是停留在理论上。

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