电容式触摸屏抗差模与共模噪声解决方案

2019-02-13黄浩泓黄世兴

数字通信世界 2019年6期

黄浩泓，黄世兴

（汕头超声显示器（二厂）有限公司，汕头 515065）

电容式触摸屏相对于传统的电阻式触摸屏和机械按键/旋钮，具有良好的操作和感官体验，且有较长的使用寿命，越来越多的被人们所接受。并从手机，笔电等消费产品应用，逐步延伸到车载，家电甚至工业应用上。但在电容式触摸屏的设计应用过程中，常遇到差模噪声干扰和共模噪声干扰，导致电容式触摸屏出现乱报点，报点坐标偏移，不报点等异常。要解决此类噪声干扰问题，必须进行噪声类别的区分并分类进行检测量化和改善。

1 区分与判断方法

差模噪声干扰（Differential-mode Interference）的特点是噪声在两个载流导线之间形成回路传输，没有途径不会泄露到地线上。两个载流导线之间存在电压差。差模噪声干扰一般可归类为电源纹波，幅度小（mV级别）、频率低、所造成的干扰影响一般较小；对于电容式触摸屏应用来说，差模噪声干扰一般出现在当整机充电且插头采用两芯交流插头没有接地，整机主板地和机壳也没有接地点，整机处于地悬空状态，此时人体不去触碰整机时，开关电源的直流电源输出线与直流地输出线上就会形成回路，有电源差模噪声存在。此类噪声既有交流市电网上的噪声也有充电器电路本身的噪声。此时如果噪声超过了电容式触摸屏可适应的工作范围，就会出现直接乱报点现象。如设备充电时的乱报点异常就属于此种类型。

共模噪声干扰（Common-mode Interference）的特点是噪声在载流导线与参考大地之间传输。如在整机充电插头接地与大地共地，交流市电网上的噪声和充电器电路本身的噪声以及LCD扫描噪声均存在共模噪声分量。共模噪声干扰幅度大，峰峰值可达到几十伏、频率高，还可以通过导线产生辐射，它是EMC干扰中最为常见且危害较大的干扰。

对于电容式触摸屏来说，当共模噪声超过可适应的工作范围时，此时会发现设备不充电进行手指触碰操作或设备充电而手不触碰电容屏时工作正常并不会有乱报点现象。而把充电状态的设备放置于绝缘非金属台面上，仅手触碰触摸屏表面操作，人体的其他部位不接触整机设备，此时乱报点现象或不响应报点的异常现象就会出现。而此时如果用人体其他部位去接触整机设备的金属外壳部位，会发现异常报点现象明显有所改善甚至变好了。如果符合如上判断现象，就可以判断共模噪声已经超过了合理的工作范围，需要加以抑制和改善。

2 量化测量方法

要测试差模和共模干扰噪声，可以采用时域及频域两种方法进行测量。

（1）时域测量使用示波器进行测量，可以较清楚地看出干扰信号的波形，直接读取信号的幅度及周期。测试的时候要把充电器接上设备，用示波器的探头的正极与待测设备的直流地输出线相连；探头的负极不要和待测设备相连，可以和示波器的大地相连.这样就可以测量共模噪声了，测试时示波器设置为检测交流信号。如果要测量差模噪声信号，可以再测量直流电源输出线，两个进行相减即是差模噪声分量。

（2）频域测量采用频谱分析仪进行测量，可以较清楚地看出共模干扰信号中所蕴含的频谱分量，直接读取每个频率点的信号分量强度。测试的时候要把充电器接上设备，使用灵敏度较高的有源近场探头，测试时将探头紧贴电容式触摸屏的表面（注意一定要关闭LCD显示，否则LCD噪声也将会耦合进探头），同时将频谱分析仪的参考地与主机系统的参考地连接.并设置频谱扫描范围，一般是0～20MHZ的范围内全频带粗扫描，得到充电器的干扰频点分布、整体噪声水平等情况，然后再设置具体频率段进行细扫描，这样就可以测量共模噪声了。

3 整改方案

要提高电容式触摸屏的抗差模噪声和共模噪声的抗扰度能力，可以从如下几个方面进行着手改善：

第一，重点优化电源系统及增加电源滤波器和差模抑制网络或LDO。

第二，电容式触摸屏软硬件设计。

（1）对于电源系统来说，需要尽量与大地共地，并增加共模滤波器进行共模和差模滤波，增阿基高性能线性LDO进行差模滤波。

共模滤波器最重要的部分是共模扼流圈，也叫共模电感（Commonmode Choke），与差模扼流圈相比，共模电感的显著优点是电感值极高，且体积小，设计时要考虑的一个重要参数是它的漏感，也就是差模电感。共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。在滤波器的设计过程中，应该测量共模噪声并将其滤除掉，然后采用差模抑制网络或高性能线性LDO将差模成分消除。高性能线性LDO具有较高的电源抑制比PSRR和较低的自身输出噪声Output Noise，可以有效的抑制甚至消除差模成分。

（2）电容式触摸屏软硬件设计

首先需要做好硬件电路滤波设计，合理增加和布局磁珠，LDO，滤波电容均是必须的设计。然后需要增加TX信号的驱动能力，这个可以通过增加电容式触摸屏IC的TX倍压或选择带更高倍压能力的触摸屏IC，以及减小电容式触摸屏的走线线阻来实现。然后根据时域测量和频域测量结果进行软件算法上的优化。