電容式觸摸按鍵IC設計方法與注意事項

電容式觸摸按鍵IC工作原理：任何兩個導電的物體之間都存在著感應電容，一個按鍵即一個焊盤與大地也可構成一個感應電容，在周圍環(huán)境不變化的情況下，該感應電容值是固定不變的微小值。當有人體手指靠近觸摸按鍵時，人體手指與大地構成的感應電容并聯焊盤與大地構成的感應電容，會使總感應電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測到某個按鍵的感應電容值發(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，觸摸按鍵設計、觸摸面板的設計以及觸摸IC的選擇都十分關鍵。這里華強北IC代購網為大家介紹電容式觸摸按鍵IC的設計方法與注意事項。

一、觸摸按鍵設計

1.觸摸PAD材料

觸摸PAD可以用PCB銅箔、金屬片、平頂圓柱彈簧、導電棉、導電油墨、導電橡膠、導電玻璃的ITO層等。不管使用什么材料，按鍵感應盤必須緊密貼在面板上，中間不能有空氣間隙。

當用平頂圓柱彈簧時，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，可以避免尖端放電效應。一般應用圓形和正方形較常見。

3.觸摸PAD面積大小

按鍵感應盤面積大?。鹤钚?mm&TImes;4mm，最大30mm&TImes;30mm。實際面積大小根據靈敏度的需求而定，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。各個感應盤的形狀、面積應該相同，以保證靈敏度一致。通常，在絕大多數應用里，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，也應該盡可能的鋪地隔離。適當拉大各觸摸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以內不能有金屬，觸摸按鍵50mm以內的金屬必須接地，否則，金屬會影響案件的靈敏度。在生產過程中，要保持面板的材質和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料。

2.觸摸面板厚度

通常面板厚度設置在0～10mm之間。不同的材料對應著不同的典型厚度，例如亞克力材料一般設置在2mm～4mm之間，普通玻璃材料一般設置在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為1，與面板的介電系數差異較大。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，都是觸摸按鍵生產裝配中的關鍵工序，必須保證質量。

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，(http://www.dgzj.com/ 版權所有)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。設計夾緊夾具時，重點壓觸摸按鍵的部位，確保感應部位沒有空氣。

三、電容式觸摸按鍵IC的選擇與應用

目前，世界知名電子元器件供應商均加大了對電容式觸摸按鍵IC的應用研究，并推出了眾多的專業(yè)芯片(本文簡稱觸摸芯片)，也有眾多基于MCU集成類的IC，設計人員選擇空間較大，可以根據功能的需求和芯片的性價比來選擇適合設計需要的IC，也可以自己設計基于MCU的A/D口實現觸摸IC，本文選用12按鍵帶自校正功能的容性觸摸感應器SC12A。

SC12A是帶自校正的容性觸摸感應器，可以檢測12個感應盤是否被觸摸。它可以通過任何非導電介質(如玻璃和塑料)來感應電容變化，這種電容感應的開關可以應用在很多電子產品上。

1.特征

12個完全獨立的觸摸感應按鍵;保持自動校正，無需外部干預;按鍵輸出經過完全消抖處理;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：上電復位后，芯片需要300ms進行初始化，計算感應管腳的環(huán)境電容，然后才能正常工作。

(2)靈敏度：由CDC端口接的電容值決定。數值越小，靈敏度越高。

(3)自校正：根據外部環(huán)境溫度和濕度等的漂移，芯片會一直調整每個按鍵的電容基準參考值。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。

(4)觸摸反應時間：每個通道大約每隔12.5ms采樣一次。經過按鍵消抖處理以后，檢測到按鍵按下的反應時間大概是68毫秒，檢測按鍵離開的反應時間大概是44毫秒。所以檢測按鍵的最快頻率大概是每秒9次。

(5)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生的容抗來限制最大工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個1uF的電容所產生的容抗約為3180歐姆。

當220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA，但在電容器上并不產生功耗，應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。

根據這個特點，我們如果在一個1uF的電容器上再串聯一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產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，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)分配電容器和負載兩端電壓的角色。

下圖為阻容降壓的典型應用，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半周給C1提供放電回路。

在較大的電流應用中，可以用全波整流，如下圖：

在小電壓全波整流輸出時，最大輸出電流即為：

容抗：Xc=1/(2πfC)

電流：Ic = U/Xc=2πfCU

采用電容降壓時應注意以下幾點：

1、根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容，而不是依據負載的電壓和功率。

2、限流電容必須采用無極性電容，絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。最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)負載條件。

5、同樣，電容降壓不適合容性和感性負載。

6、當需要直流工作時，盡量采用半波整流。不建議采用橋式整流。而且要滿足恒定負載的條件。

器件選擇

1.電路設計時，應先測定負載電流的準確值，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C1的充、放電電流越大。當負載電流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)壓管的最大允許電流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泄放掉C1上的電荷。

設計舉例

已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。 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與負載電流Io的關系可近似認為：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，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。