电容式触摸按键电磁兼容可靠性设计与应用

2022-11-25魏宇周月飞潘亮王艳飞丁蒙蒙

环境技术 2022年5期

魏宇，周月飞，潘亮，王艳飞，丁蒙蒙

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

电容式触摸按键是目前冰箱上主流显示板所应用的触摸按键，具有反应灵敏、成本较低等优点。该按键的应用给消费者带来了良好的用户体验，同时也对冰箱显示板的EMC设计带来不小的挑战。

由于电容式触摸按键具有可直接集成在PCB中、灵活的外形尺寸以及额外成本极低等优点，被广泛应用于冰箱显示板中。虽然电容式显示板结构较为简单，但其也是冰箱的电磁兼容试验的重点考察对象之一，因此为其电磁兼容设计带来不小的挑战。一旦冰箱显示板注入电流试验不满足国标，需要及时整改。

龙玲丽等[1]对电容式显示板进行原理设计进行了详细分析；周书宇等[2]从显示板结构差异方面分析，可采用（50～70）%填充率的底层铺铜，并在顶层覆盖 0.13～0.6 mm 厚度的绝缘层的方法来提高显示板可靠性。罗福根[3]研究了软体设定的触发门槛电容值对电容式按键可靠性的影响。前人对电容式显示板的研究很多，但较少涉及到冰箱显示板电磁兼容可靠性的研究。本文探讨了冰箱显示板电磁兼容可靠性的影响因素，为冰箱显示板的电磁兼容可靠性设计提供了一定思路，有助于冰箱显示板电磁兼容设计与整改工作的开展。

1 电容式显示板（图1）的理论分析

图1 电容式显示板

按键传感器自身存在一个基电容C1。当人体触摸显示板表面时，由于人体能够导电，其与大地连接，与大地形成接地的导电层。传感器垫片与人体及大地形成的导电层是平行关系，构成一个平行板电容器，形成寄生电容ΔC。传感器总电容C=C1+ΔC。如果没有触摸，C=C1，控制器计算出电路中单位时间内固定的方波转换次数，当手指触摸按键，ΔC发生改变，传感器总电容C随之变化。

式中：

t—充放电时间；

R—电阻值；

C—电容值；

V1—充放电终止电压；

V2—充放电起始电压；

Vt—充放电电容电压。

由公式可以得出，电容的变化具体体现到电压的变化周期上，通过对电压的采样分析即可以得到电容的变化。

同时可得出理想状态下影响按键性能、可靠性的具体参数，即充放电时间t、电阻值R、电容值C、充放电终止电压V1、充放电起始电压V2和充放电电容电压Vt。

2 注入电流试验

在冰箱显示板的电磁兼容试验中，注入电流试验直接考察显示板的抗干扰能力。因此在本文中用注入电流试验来模拟外界复杂电磁环境对冰箱显示板的干扰。注入电流，实际上是射频场感应的传导骚扰抗扰度。处在同一个电磁环境下的电子设备，都有可能向外发射电磁波形成电磁场。该电磁场可能在与被骚扰设备连接的电缆上因感应而产生骚扰电压。感应产生的骚扰电压会进入到设备内部，干扰设备内部电路，导致设备出现异常。

感应是电磁骚扰的传播方式之一，是空间中的电磁骚扰在被骚扰设备连接的电缆上因感应而产生干扰电压。被骚扰设备的电缆，如电源线或连接线的长度通常可能是几个波长，可能会因此成为被动天线。干扰以共模电压的方式施加到冰箱的电源端口，在内部电路中形成共模电流，最终干扰到内部电路的正常工作。在注入电流试验中，干扰主要通过电源线传导到主板，再传导到显示板上，主要干扰到显示板的正常工作，存在误触发或卡顿等异常。

3 显示板电磁兼容可靠性理论影响因素

影响冰箱电容按键可靠性与灵敏度的因素主要有电磁干扰、电路设计布局、元器件材料及工艺等。其中元器件材料及工艺受限于成本及其他现实原因影响，很难有较大改变。在设计之初应考虑如何提高显示板的电磁兼容可靠性，包括增加显示板自身的抗干扰能力或吸收屏蔽外界干扰的能力。

1）基电容选型

基于上述理论分析，传感器基电容是显示板灵敏度的重要影响因素。在电磁兼容设计时我们需要考虑基电容选型。基电容增大，即相同寄生电容下，对T的影响变小，则灵敏度降低，存在无法识别正常的按键风险。反之基电容减小，变大，ΔC对T影响较大，灵敏度升高，抗噪音能力降低，极易受到外界干扰。电磁干扰会使ΔC改变，出现干扰触发，存在显示板异常点亮或跳键等异常。因此灵敏度过高或过低都存在一定的风险。在设计时需考虑在保证灵敏度的前提下提高显示板的电磁兼容可靠性。

2）显示板电路布局

合理通过显示板的电路布局可提升抗噪能力。由于共模电流流过地线，会造成辐射耦合。因此按键到触摸芯片之间信号线的地线屏蔽也需考虑。适当的铺铜面积可有效屏蔽干扰信号，增加显示板抗噪声能力。在多层板布线时信号线需要尽可能短，且有交叉需要时保持相互垂直。若空间结构允许，可在干扰信号流经的通讯线或地线上增加磁环，让干扰以热能的形式消耗掉。不同型号的磁环对应不同频率的干扰信号，因此在设计整改前应考虑到干扰信号的频率，选择合适规格的磁环。

3）主控电路设计

显示板作为冰箱的一部分，也受到冰箱整体结构的影响，若主控部分电路设计不合理，没有完全滤除干扰，使得干扰通过信号线传至显示板，干扰通过空间耦合到敏感元器件上，会导致显示板性能不满足使用和试验要求。可在主控电路上布局适当的滤波电路，用以滤除内部电源模块以及外界从电源端口叠加的干扰。也可在5 V对地的电路串联磁珠，效果类似于滤波电容。磁珠或磁环用于在关键零部件下对于磁场的屏蔽补充，其原理为提高回路阻抗，将干扰信号转化成热能的形式消耗掉，从而抑制干扰信号的传递。

4 试验样品和影响因素分析

4.1 基电容的影响

以风冷冰箱A为实验样本，实验室选择EMS试验室，测试仪器采用：试验信号发生器、耦合去耦装置、衰减器等。

测试方法严格按照国标GB/T 17626.6-2017《电磁兼容试验和测量技术射频场感应传导骚扰抗扰度试验》[4]执行，环境温度为25 ℃，冰箱箱内温度稳定以后进行注入电流测试。试验频率范围为150 KHz～230 MHz。改变显示板上基电容大小，试验结果如表1。

表1 试验结果

根据上述实验结果分析，针对冰箱显示板注入电流试验，基电容过小，按键显示板灵敏度高，但抗噪声能力差，会出现隔空触发等问题。基电容过大，按键灵敏度偏小，按键有卡顿感，用户使用感较差。基电容的选取需要达到灵敏度与抗造噪能力的平衡。选取合适参数的基电容能提高显示板的电磁兼容可靠性。从经济方面考虑，更改基电容不改变原有电路布局及整体结构，仅更改基电容大小，不增加额外经济成本。

4.2 磁环的影响

以风冷冰箱A为实验样本，试验器材为显示面板、电源、示波器和试验信号发生器、磁环。显示面板无塑料件暴露按键电路信号线无遮挡。信号为3 V、500 mA直流电。

将实验信号发生器链接的信号线平行安置在显示面板信号线1 mm范围内，示波器正极连接在显示面板按键电路的信号线前端，示波器设置参数，开启信号发生器，观察示波器波形变化（图2），然后调整示波器参数。重复实验直到可以看到完整波形变化。随意连续调整直流电电压，观察波形变化（图3）。显示板通讯线上增加磁环后，观察波形变化（图4）。

图2 无干扰时波形

图3 干扰后波形

图4 加磁环后波形

由上述试验可知当数电电路、模拟电路、功率电路与信号电路距离过近时容易对信号电路产生干扰，使得信噪比上升，设备可靠性下降。增加磁环后可有效吸收干扰信号，增加显示板电磁兼容可靠性。

如图5所示，电流元产生的场的表达式为：

图5 电偶极子坐标系

式中c=3×108m/s

f=1.5×105～2.3×108Hz

故 2×103m＜λ＜1.30 m

5 优化方案

针对上述试验分析，选取适当的基电容以及吸收或屏蔽干扰信号可提升冰箱显示板的可靠性。合适的基电容可平衡好按键的灵敏度与抗干扰能力，磁环或磁珠可将干扰信号转化为热能的形式消耗掉，提升显示板的抗干扰能力。

在注入电流试验中，经常会出现冰箱显示板亮屏跳键的异常。以下是实际案例。

以风冷冰箱A为例，试验在（8.4～12.9）MHz出现显示板异常点亮和跳键的异常现象，不满足注入电流试验A类判定。试验结束后拆开显示板，发现门体地线靠近在显示板旁边，靠近显示板间室选择键和温度调节键（图6）。分别断开地线及相关连接线，发现断开地线时，满足测试要求。基于上述现象分析，此案例中外源性干扰叠加到样品的电源端口，注入到样品内部电路，共模电流流经地线时，产生交变电磁场。由于显示板感应按键离地线距离很小，处于近场区，受到的干扰较大，最终表现为在某一频段显示板异常点亮与跳键，无法满足试验要求。在本案例中，显示板抗干扰能力较差。基于上述试验验证，适当增加基电容值可有效提升显示板的抗干扰能力。本次整改采取了更改基电容的方式。将基电容由7 pF改为8.2 pF，试验验证合格。

图6 显示板

不更改基电容，设计人员采用将门体接地线增加磁环，并绕制三圈的方式整改。最终试验过程中无异常，整改合格。磁环在本案例中将干扰以热能的形式消耗掉，在干扰到达敏感电路之前将干扰吸收。在整改过程中要注意磁环的规格和位置，对应不同失效点的频率，可选择相应的磁环。磁环绕制匝数不易过多，若匝数过多，寄生电容变大，对高频干扰的抑制效果会变差。磁环使用方便，是电磁兼容整改中常用的方法。